南京長江二橋獨柱墩橋梁抗傾覆分析與加固研究

陳輝

（南京長江第二大橋有限責(zé)任公司，南京 210038）

1 引言

獨柱墩橋梁結(jié)構(gòu)輕巧、占地量小，在地形、地物受限的區(qū)域廣泛應(yīng)用。但由于獨柱墩在橫向采用單點支承，結(jié)構(gòu)體系抗扭安全儲備不高。車輛偏載作用下，橫向抗傾覆穩(wěn)定性較差。近年來，隨著超載車輛的不斷增多，我國多個地區(qū)發(fā)生獨柱墩橋梁傾覆事故，造成了較大的經(jīng)濟損失[1-3]。

本文結(jié)合南京長江二橋柳塘互通F匝道橋獨柱墩橋梁抗傾覆加固改造項目，分析了加固改造前后橋梁抗傾覆性能及主要構(gòu)件（墩柱）受力的變化。

2 工程概況

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)

柳塘互通F匝道橋于1997年建成通車，設(shè)計汽車荷載等級為汽車-超20級，掛車-120。上部結(jié)構(gòu)為6×20 m鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，位于半徑R=162 m的圓曲線上。箱梁頂板寬12 m，底板寬6.2 m，梁高1.4 m。橋臺為扶壁式橋臺，配置4根直徑1.2 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。中間墩均為直徑1.4 m獨柱墩，每墩配置4根直徑1.2 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋臺位置為雙支座，支座型號為GYZ650×140 mm板式橡膠支座，支座間距5 m。橋墩位置為單支座，支座型號為GYZ850×161 mm板式橡膠支座。橋梁總體布置如圖1所示，現(xiàn)場照片如圖2所示。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：cm）

圖2 橋梁現(xiàn)場照片

2.2 原結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算結(jié)果

建立上部結(jié)構(gòu)連續(xù)梁桿系單元有限元模型，支座采用彈性支承模擬，支座編號如圖3所示。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

汽車荷載按2車道公路I級荷載施加，曲線外側(cè)偏載加載[4]。同時考慮梯度溫度及風(fēng)荷載的不利作用。各項荷載作用下，原結(jié)構(gòu)箱梁支座反力見表1。比較后可以發(fā)現(xiàn)，恒載引起的中間獨柱墩支座壓力較大，邊墩支座壓力較小。汽車偏載作用在邊墩支座處引起的拉力較大，接近恒載引起的壓力，易出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。梯度溫度引起的邊墩及次邊墩支座反力較大，其效應(yīng)不可忽略。風(fēng)荷載引起的支座反力最小，可忽略其影響。

表1 各項荷載作用下原結(jié)構(gòu)箱梁支座反力kN

按現(xiàn)行規(guī)范對橋梁抗傾覆性能進行驗算[5]。最不利荷載組合作用下，0#臺位置曲線內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)186 kN拉拔力，6#臺位置曲線內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)224 kN拉拔力，特征狀態(tài)1驗算不滿足規(guī)范要求（規(guī)范要求單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)）。恒載引起的穩(wěn)定力矩為9 022 kN·m，最不利活載組合引起的傾覆力矩6 861 kN·m，橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)1.31，特征狀態(tài)2驗算不滿足規(guī)范要求（規(guī)范要求抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不小于2.5）。

3 加固改造設(shè)計

3.1 單個獨柱墩加固改造方案

為提高橋梁抗傾覆性能，將中間獨柱墩單支座支承體系改為多支座支承體系。在中間墩墩頂位置增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)抱柱箍，以支承新設(shè)支座，如圖4所示。

圖4 獨柱墩加固改造示意圖（單位：mm）

鋼結(jié)構(gòu)抱柱箍分塊預(yù)制，兩塊半圓抱箍鋼板采用M27高強螺栓工地連接成整體。單側(cè)抱箍橫向?qū)?.8 m，高1.55 m。抱箍牛腿梁橫斷面為箱形截面，單箱兩室構(gòu)造。除與橋墩相連圓弧形鋼板厚16 mm外，其余鋼板厚12 mm。抱柱箍通過植入化學(xué)錨栓與橋墩連接，并在鋼抱箍與橋墩間灌注粘鋼膠以加強連接。

在原支座兩側(cè)1.5 m處設(shè)置填充聚氨酯可調(diào)高雙向活動盆式支座。選用可調(diào)高盆式支座的目的在于對支座施加少量預(yù)頂力，保證支座和主梁底密貼，在傾覆荷載作用下能夠發(fā)揮抗傾覆作用。新設(shè)支座設(shè)為雙向活動支座的目的在于保證新設(shè)支座僅承受豎向力，在地震、汽車制動力等水平荷載作用下，新支座不參與受力，保證橋梁水平向受力體系不變。整個加固改造體系僅發(fā)揮預(yù)定的抗傾覆作用。

3.2 橋梁整體加固改造方案

對以下4種加固改造方案加固效果進行比選，確定合理的加固改造方案。

1）方案一：1#墩、2#墩、3#墩、4#墩、5#墩增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)抱柱箍牛腿及新支座。

2）方案二：1#墩、2#墩、4#墩、5#墩增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)抱柱箍牛腿及新支座。

3）方案三：僅2#墩、4#墩增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)抱柱箍牛腿及新支座。

4）方案四：僅1#墩、5#墩增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)抱柱箍牛腿及新支座。

各加固改造方案加固效果如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著加固墩數(shù)的增多，橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)增大。當(dāng)僅加固2個橋墩時（方案三、方案四），改造后橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)分別為2.53、2.62，滿足規(guī)范要求（抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)2.5），但富余度較小。加固4個以上橋墩時（方案一、方案二），改造后橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)分別為5.37、4.38，富余度較大。對橋墩受力來說，不同加固改造方案對橋墩的軸力影響不大，對橋墩的彎矩有一定影響，但不同彎矩對應(yīng)的橋墩偏心受壓承載能力均滿足規(guī)范要求?？紤]到3#墩兩側(cè)存在臨邊道路，交通繁忙，加固改造施工困難。從加固效果和現(xiàn)場可實施性角度綜合比選，采用方案二作為實施方案。

表2 加固改造效果分析表

4 工程實施

4.1 主要施工步驟

主要施工步驟為：施工現(xiàn)場調(diào)查→鋼結(jié)構(gòu)抱柱箍工廠加工制造→墩頂混凝土基面處理→鋼構(gòu)件提升就位→墩頂鉆設(shè)植筋孔并植入鋼螺桿→鋼抱箍高強螺栓對拉連接→灌注粘鋼膠→可調(diào)高支座安裝→鋼結(jié)構(gòu)防護涂裝。

4.2 施工要點

獨柱墩橋梁增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)抱柱箍及受力支座加固改造施工要點如下：

1）施工前應(yīng)加強現(xiàn)場復(fù)核，重點復(fù)核結(jié)構(gòu)實際尺寸與圖中尺寸是否存在偏差，根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果進行鋼結(jié)構(gòu)下料加工，避免鋼抱箍與橋墩尺寸不匹配而無法進行下一步施工。

2）加強橋墩內(nèi)部主要受力鋼筋的探測，避免鉆孔損傷鋼筋，根據(jù)探測結(jié)果適當(dāng)調(diào)整植筋孔位。鋼抱箍螺栓孔位應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場植螺桿孔位開孔，不得工廠預(yù)開孔。

3）植入鋼螺桿是主要受力構(gòu)件，植筋膠應(yīng)選擇錨固性能及耐久性較好的植筋膠。

4.3 加固后效果

獨柱墩橋梁加固改造實施完成后，定期進行巡查。檢查結(jié)果表明，鋼抱箍與橋墩表面密貼，無相對滑移痕跡，說明鋼抱箍與混凝土橋墩連接良好。打開防塵罩后發(fā)現(xiàn)，可調(diào)高支座未出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，表明新設(shè)支座發(fā)揮預(yù)定支撐功能。進一步檢查發(fā)現(xiàn)，加固部位梁體及橋墩均無裂縫等次生病害產(chǎn)生。橋梁加固后整體狀況良好，加固措施發(fā)揮預(yù)定的功能。加固有效可行，可為類似橋梁的抗傾覆加固提供參考。

5 結(jié)語

本文結(jié)合南京第二長江大橋柳塘互通F匝道獨柱墩加固改造工程，比較了不同的加固改造方案及其加固改造效果。分析結(jié)果表明，加固改造后橋梁抗傾覆性能大幅提高，主要構(gòu)件（橋墩）受力滿足要求。工后檢測結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件運行良好、無次生病害產(chǎn)生。加固方案實施后橋梁的外觀效果良好，加固有效可行，可為類似橋梁的抗傾覆加固提供參考。