鋼蓋梁加固獨柱墩橋梁抗傾覆性能研究

張漁

（西安路德工程勘察設(shè)計咨詢有限公司，陜西 西安 710075）

0 引言

獨柱墩橋具有開闊的視野，可有效減少因視覺不暢所導(dǎo)致的交通事故；橋墩線形造型優(yōu)美，與周圍道路線形及景觀相協(xié)調(diào)，具有獨特的美感；其工程量小，占地少、造價低、對周圍建筑物影響小等特點，使得獨柱墩在相當(dāng)一段時期內(nèi)具有較大的優(yōu)勢［1-3］。

隨著交通運輸?shù)娜找娣泵?，獨柱墩支撐的橋梁存在的安全隱患逐漸凸顯出來。在連續(xù)較大交通荷載偏心作用和獨柱墩橋偏心的情況下，橋臺支座可能會脫空；隨著荷載的繼續(xù)增大，橋梁支座處的承載體系發(fā)生轉(zhuǎn)變，伴隨著單邊支座的變形增大超過限制，橋梁上部箱梁隨之發(fā)生傾覆［4］。過去一段時間，我國獨柱墩橋梁傾覆事件時有發(fā)生，表1 中所列為2000 年以后所發(fā)生的獨柱墩橋梁傾覆事件，均造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失［5］。

表1 獨柱墩橋梁傾覆事件

截至目前，大多數(shù)的獨柱墩橋梁上部結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆，主要是由連續(xù)較大交通荷載偏載造成的。在此之前，國內(nèi)的橋梁研究重點主要在于縱橋向的受力和變形，較少關(guān)注橫橋向的變形和穩(wěn)定性。數(shù)起獨柱墩橋梁上部結(jié)構(gòu)傾覆事件使得獨柱墩橋梁抗傾覆研究逐漸成為熱點，橋梁抗傾覆理論也隨之被提出。

1 抗傾覆理論

現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）［6］指出：持久狀況下橋梁上部結(jié)構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)體系轉(zhuǎn)變，橋梁支座不應(yīng)脫空；上部結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足抗傾覆穩(wěn)定性的要求，如式（1）所示。

2 橋梁抗傾覆加固方法

獨柱墩橋梁加固可通過加強獨柱墩橋的下部結(jié)構(gòu)、增加側(cè)向支撐點的數(shù)量，提升獨柱墩橋的抗傾覆的整體穩(wěn)定性。具體加固實施方式有以下3種。一是改造為圓端支撐為墻墩支撐，通過增大截面，形成圓端壁墩，并在墩頂構(gòu)造兩個橡膠支座。二是改造為三柱墩。其特點是在原橋墩的兩側(cè)各增加一個柱墩，并通過聯(lián)系梁構(gòu)造成為整體，由單點支撐變?yōu)槿c支撐。三是獨柱墩頂加擴(kuò)。對原獨柱墩頂部改造，采用懸臂或托板增加墩體的橫向長度，托板頂部構(gòu)造橡膠支座，該單點軸力為多點受力［7］。前兩種方法工程造價高，施工周期長。而第三種方法則具有施工速度快、造價合理等優(yōu)點，在越來越多的獨柱墩改造工程中得到應(yīng)用。其中獨柱墩頂加擴(kuò)法以墩頂鋼蓋梁加固法應(yīng)用較為廣泛。

獨柱墩頂部增設(shè)鋼蓋梁，并在鋼蓋梁上新增支座，改變橫橋向單點支座支承，為多點支座支承，既增加上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩，也可以避免支座脫空情況，進(jìn)而提高獨柱墩梁橋的整體抗傾覆穩(wěn)定性。

3 鋼蓋梁加固主要施工步驟

①測量橋墩箱梁底縱、橫坡度、各部位高程、平面尺寸等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

②復(fù)測橋墩形狀和尺寸，并按照設(shè)計文件加工鋼蓋梁。

③墩頂加固范圍鑿毛并鉆孔植筋，同時觀測墩柱、支撐系統(tǒng)受力和變形。

④現(xiàn)場定位安裝鋼蓋梁。

⑤待膠體固結(jié)并達(dá)到設(shè)計強度后，將各螺栓螺母擰緊，最后焊接封閉鋼板。

⑥澆筑鋼蓋梁內(nèi)混凝土，壓漿密實。

⑦待灌注混凝土達(dá)到設(shè)計強度后，安裝支座。

鋼蓋梁構(gòu)造圖具體如圖1所示。

圖1 鋼蓋梁構(gòu)造圖

4 工程分析

本項目以浙江省內(nèi)金麗溫高速公路、龍麗高速公路共計約400 km 高速公路沿線橋梁作為研究對象，分析所有獨柱墩橋梁的抗傾覆性能，共涉及橋梁61座，共計橋梁61聯(lián)，下部主要為邊長130 cm的帶圓角方柱墩和直徑130～200 cm 的圓柱墩。經(jīng)驗算，不滿足抗傾覆要求的橋梁有30 聯(lián)，其中14座不滿足第1 特征狀態(tài)，27 座不滿足第2 特征狀態(tài)，具體如表2 所示。因而，須對不滿足抗傾覆要求的獨柱墩橋梁進(jìn)行抗傾覆加固，使之滿足規(guī)范法的要求。

表2 獨柱墩抗傾覆驗算

采用有限元分析軟件MIDAS 2020，主梁按照單梁模型進(jìn)行模擬，不考慮箱梁橫坡，支座與主梁之間剛性連接，邊界條件同實際支座滑動方向。模型如圖2 所示。所用的荷載為：自重系數(shù)取-1.04，以集中力等代橫隔板、中橫梁、端橫梁并施加到模型上；按照實際情況施加二期恒載，瀝青鋪裝容重24 kN/m3，混凝土護(hù)欄12.2 kN/m；按整體升降20 ℃考慮，梯度溫度按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）［8］計算；荷載等級為公路—Ⅰ級，并計入沖擊系數(shù)，考慮多車道折減系數(shù)?；钶d橫向布置按左偏和右偏兩種工況考慮。荷載組合如表3所示。

圖2 橋梁上部結(jié)構(gòu)模型

表3 荷載組合

5 加固效果分析

鋼蓋梁加固后的獨柱墩橋梁上部結(jié)構(gòu)，按照上述方法進(jìn)行抗傾覆驗算，加固前后的橋梁抗傾覆安全系數(shù)如圖3 所示，加固后的獨柱墩橋梁的安全系數(shù)大幅度提高，最大提高幅度為加固前的9 倍，說明采用鋼蓋梁加固工藝具有明顯的加固效果。

圖3 加固前后的橋梁抗傾覆安全系數(shù)

6 結(jié)論

獨柱墩橋梁安全儲備不足，存在整體傾覆風(fēng)險。對61 聯(lián)公路橋梁進(jìn)行抗傾覆驗算，約49%不滿足抗傾覆驗算的要求，并以獨柱墩橋梁為主；其中約47%的獨柱墩橋梁，抗傾覆驗算時不滿足第1特征狀態(tài)，約90%的獨柱墩橋梁不滿足第2 特征狀態(tài)。在獨柱墩頂部增加鋼蓋梁，并在鋼蓋梁頂部增設(shè)橡膠支座，改變了原獨柱墩橋梁單點承載為多點承載；經(jīng)過鋼蓋梁加固的獨柱墩橋梁，抗傾覆性能大幅提升，有效提升了橋梁的抗傾覆安全系數(shù)。