曲線梁橋抗傾覆驗(yàn)算與加固設(shè)計(jì)研究

崔鵬飛

（華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045）

0 引言

在城市道路中，由于高樓密集并且環(huán)境復(fù)雜，為了方便出行，一些適應(yīng)線形的曲線梁橋被越來越多的設(shè)計(jì)和使用。曲線梁橋不僅能滿足周圍地形的要求，而且其線條流暢，能夠給人們帶來美的感受。但是曲線梁橋在長期運(yùn)營過程中承受車輛偏心荷載作用時，會產(chǎn)生很多病害，嚴(yán)重時還可能導(dǎo)致橋梁整體失穩(wěn)。尤其是近十年來，在湖北、江蘇、浙江等地已發(fā)生多起曲線梁橋偏載超載作用下的整體失穩(wěn)事故，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。由上述案例可以發(fā)現(xiàn)，這些事故有以下3個特征。

①發(fā)生整體失穩(wěn)事故的橋梁上部結(jié)構(gòu)基本采用整體式箱梁，大多在橋臺處采用抗扭支座+聯(lián)中采用點(diǎn)鉸支座的支承體系；從上部結(jié)構(gòu)的材質(zhì)來看，上部結(jié)構(gòu)均較輕，其抗傾覆力矩較小，也容易發(fā)生傾覆事故。

②設(shè)計(jì)時橋梁支承間距較小。如果橋梁結(jié)構(gòu)支座間距過小，結(jié)構(gòu)就顯得頭重腳輕，也類似于單支承的形式，容易在車輛偏載作用下發(fā)生整體失穩(wěn)。

③橋梁整體失穩(wěn)事故發(fā)生時，無明顯預(yù)兆，且橋梁在失穩(wěn)前一般不會發(fā)生強(qiáng)度破壞。

目前設(shè)計(jì)人員在橋梁整體失穩(wěn)方面的計(jì)算和加固還存在以下3個方面的不足。

①抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算方法存在差異。不同地區(qū)按照規(guī)范進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算時，考慮的荷載工況不同。有些地區(qū)在進(jìn)行抗傾覆計(jì)算時，失穩(wěn)力矩僅僅考慮車輛荷載，這樣使得其計(jì)算結(jié)果偏大。

②對超載車輛沒有充分的預(yù)測。目前，車輛超載現(xiàn)象嚴(yán)重，在已發(fā)生的橋梁整體失穩(wěn)事故中，實(shí)際車輛荷載值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)范要求的車輛標(biāo)準(zhǔn)值。以2019年無錫市上跨橋傾翻事故為例，其傾覆破壞的原因是兩輛重型平板車嚴(yán)重超載且間距較近（160 t/32 t、超載400%；160 t/29 t、超載455%）。

③加固方案精細(xì)不夠。設(shè)計(jì)人員對需要進(jìn)行加固的橋梁不能做到因橋而異，提升效果如何也沒有分析計(jì)算。還有部分地區(qū)對所有獨(dú)柱墩都進(jìn)行加固，加固的有效性也存在質(zhì)疑。

雖然發(fā)生整體失穩(wěn)事故的橋梁多為獨(dú)柱墩橋梁，但是如果將這些事故橋梁中的單支座換成小間距的雙支座時，同樣也不能避免失穩(wěn)事故的發(fā)生。

因此，研究曲線梁橋的抗傾覆性能以及制定出合理有效的防止橋梁失穩(wěn)的加固措施是非常有必要的。本研究以實(shí)際工程為例，驗(yàn)算其加固前后的抗傾覆穩(wěn)定性，旨在為今后曲線梁橋的設(shè)計(jì)施工等提供一定的參考依據(jù)。

彭衛(wèi)兵等［1］介紹了橋梁整體失穩(wěn)過程中的3個階段和失穩(wěn)的類型，并基于實(shí)際工程提出抗傾覆的計(jì)算方法；白小東［2］運(yùn)用MIDAS建立一匝道曲線梁橋模型，分析不同支承條件下對橋梁穩(wěn)定性的影響；魏遠(yuǎn)棟［3］分析了影響曲線梁橋抗傾覆性能的因素，還著重分析了典型車輛過橋時單車極限荷載，為橋梁設(shè)計(jì)提供了有意義的參考。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

本研究選取三門峽境內(nèi)某一四跨匝道橋，其跨徑組合為（19+2×21+19）m，上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)1#、2#、3#采用柱式墩，橋墩高10 m，墩柱直徑1.6 m。該橋橫向?qū)? m，高度1.4 m，曲率半徑為160 m，模擬邊界約束按圖1所示。

圖1 該匝道橋支座布置圖

利用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用程序MIDAS 2021對該橋進(jìn)行抗傾覆計(jì)算分析，采用公路-Ⅰ級對橋梁進(jìn)行計(jì)算，橫向雙車道，全橋共124個節(jié)點(diǎn)，112個單元，其橋梁模型圖如圖2所示。主梁混凝土采用C40，墩柱混凝土采用C30。

圖2 該匝道橋模型圖

1.2 荷載工況

1.2.1 永久作用。

①自重+二期恒載。二期恒載計(jì)算結(jié)果如下：瀝青現(xiàn)澆層為19.2 kN/m；護(hù)欄為10.7 kN/m，分別加載于橋梁兩側(cè)。

②支座沉降。橋臺處支座沉降5 mm，墩柱處支座沉降10 mm。

1.2.2 可變作用。

①車輛荷載。該橋橫向布置兩個車道，車道1距離橋梁中心線-2.6 m，車道2距離橋梁中心線0.5 m。

②溫度荷載。溫度荷載主要考慮梯度溫度（升溫、降溫）、整體溫度（升溫20℃、降溫20℃）。

③離心力和制動力。離心力在局部坐標(biāo)軸y方向上布置單元荷載，制動力在橋墩支座處布置節(jié)點(diǎn)荷載。

2 原結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）［4］中的規(guī)定，為了保證橋梁在運(yùn)營過程中不發(fā)生傾覆破壞，需同時滿足以下兩個狀態(tài)。特征狀態(tài)1：荷載基本組合時，支座不發(fā)生脫空；特征狀態(tài)2：荷載標(biāo)準(zhǔn)組合時，穩(wěn)定力矩與失穩(wěn)力矩計(jì)算出的抗傾覆系數(shù)大于2.5。

查閱大量資料發(fā)現(xiàn)，對于運(yùn)營橋梁，尤其是曲線梁橋，溫度、離心力、動力等所產(chǎn)生的荷載也會引起橋梁整體失穩(wěn)，為了使計(jì)算結(jié)果更加精確，本研究在設(shè)計(jì)時考慮這些因素進(jìn)行抗傾覆計(jì)算。因此，對于特征狀態(tài)1（支反力驗(yàn)算）的驗(yàn)算，按照RGK+1.4RMV+0.5RSM+1.05RT+1.05RTPG+1.4RST+0.735RBRK來進(jìn)行，最后計(jì)算出0-1#支座在荷載基本組合作用下的支反力最小值為-348 kN，4-1#支座在荷載基本組合作用下的支反力最小值為-363 kN，均不滿足規(guī)范要求，支座存在脫空的危險；對于抗傾覆系數(shù)的驗(yàn)算，最后計(jì)算出0-1#支座、4-1#支座在最不利標(biāo)準(zhǔn)組合下的抗傾覆系數(shù)為0.97，均小于2.5，橋梁有整體失穩(wěn)的風(fēng)險。因此，該匝道橋不滿足規(guī)范要求，需要對其進(jìn)行加固。

3 加固方案研究

對于不滿足抗傾覆要求的橋梁，在加固前應(yīng)該首先調(diào)查其建設(shè)條件，確定其橋梁下部凈空、障礙物、水道等情況，判斷其是否滿足施工要求，要根據(jù)環(huán)境、結(jié)構(gòu)等選擇最合適的加固方案。針對橋梁抗傾覆驗(yàn)算的相關(guān)結(jié)論，橋梁加固措施主要是對橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造，增加橫橋向支點(diǎn)的數(shù)量，以達(dá)到提高橋梁整體抗傾覆穩(wěn)定性的目的。其主要措施可以從增設(shè)拉桿和增設(shè)支座支承兩個方面進(jìn)行考慮，其中增設(shè)支座有很多具體表現(xiàn)形式，比如增設(shè)墩柱與支座，增設(shè)蓋梁與支座，增設(shè)墩柱與支座等，具體見表1［5］。

表1 加固方案對比

綜合這4種加固方案，受限于該匝道橋箱梁底面寬度跟橋墩高度的影響，推薦采用增設(shè)蓋梁與支座的方法進(jìn)行加固。該方案施工簡單，可以最大限度地減少對原墩柱的損傷，加固后對橋下交通影響較少，能提高該匝道橋的穩(wěn)定性，確保運(yùn)營安全，其施工后的效果圖見圖3。

圖3 施工效果圖

增設(shè)蓋梁與支座后，由于車輛偏載超載作用引起的彎矩與扭矩作用較大，如果加固的蓋梁采用混凝土結(jié)構(gòu)，為了滿足結(jié)構(gòu)的承載力要求，就需要添加更多的鋼筋，這樣就會使墩柱承受更多的荷載。因此經(jīng)過多方面的比較，在設(shè)計(jì)時選擇在1#墩、2#墩和3#墩增設(shè)鋼蓋梁的形式進(jìn)行加固處理。其中鋼蓋梁與主柱的連接主要有兩種方式：一種是通過鋼套筒與混凝土間灌膠并用植筋錨栓連接；另一種采用鋼套筒與混凝土墩柱抱箍并用對穿螺栓連接。加固后支座布置如圖4所示。

圖4 加固后支座布置圖

4 加固效果分析

為了計(jì)算加固后該匝道橋的抗傾覆性能，用MIDAS 2021進(jìn)行加固后的分析計(jì)算，其有限元模型如圖5所示，同時荷載工況按照加固前的荷載工況進(jìn)行計(jì)算。此時該匝道橋失效支座為0-1#、1-1#、2-1#、3-1#、4-1#支座，加固后的抗傾覆驗(yàn)算見表2。

圖5 加固后箱梁模型圖

表2 加固后匝道橋抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

經(jīng)過計(jì)算，加固后各個支座節(jié)點(diǎn)最不利基本組合作用下支反力最小值都大于0，每個支座都不存在脫空的危險；在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，抗傾覆系數(shù)的最小值為5.02，大于2.5，滿足規(guī)范要求，此次鋼蓋梁加固滿足規(guī)范要求［6-7］。

5 結(jié)論

目前，橋梁發(fā)生破壞大多非橋梁自身強(qiáng)度、剛度破壞，主要是橋梁整體失穩(wěn)破壞。本研究結(jié)合具體工程實(shí)例，利用MIDAS有限元軟件，對該匝道橋在特定荷載工況下進(jìn)行加固前后的支反力以及抗傾覆系數(shù)驗(yàn)算。最后，得出以下4個結(jié)論。

①利用MIDAS軟件，對該匝道橋進(jìn)行支反力以及抗傾覆系數(shù)的驗(yàn)算，結(jié)果表明，該匝道橋橋臺內(nèi)側(cè)0-1#支座和4-1#支座存在脫空的風(fēng)險，并且其抗傾覆系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

②在進(jìn)行支反力和抗傾覆系數(shù)的驗(yàn)算時，只考慮汽車偏載會使計(jì)算的結(jié)果偏大，建議在荷載工況中還要考慮溫度、支座沉降、離心力和制動力的影響，這樣可以使結(jié)果更加精確。

③對于支反力驗(yàn)算沒有滿足規(guī)范要求的橋梁，可以采用增設(shè)拉桿的方式來改善；特征狀態(tài)2即抗傾覆系數(shù)的驗(yàn)算沒有滿足規(guī)范要求，可以在墩柱位置處增設(shè)支座來改善。

④針對該匝道橋，結(jié)合其自身建設(shè)條件，最后選擇采用增設(shè)鋼蓋梁與支座的方式來改善其抗傾覆性能，經(jīng)過驗(yàn)算，加固后該匝道橋的抗傾覆性能滿足規(guī)范要求。