黃姚A匝道獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆性能提升設(shè)計(jì)研究

路均林,石二姣

(1.中交通力建設(shè)股份有限公司 西安市 710075; 2.西安建工二建工程建設(shè)有限公司 西安市 710000)

0 引言

近年來(lái)獨(dú)柱墩橋梁整體側(cè)翻的事故時(shí)有發(fā)生,給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了極大的威脅,尤其是2011年2月21日浙江上虞春暉互通匝道橋、2019年10月10日江蘇無(wú)錫高架橋整體側(cè)翻事故發(fā)生后,獨(dú)柱墩橋梁的整體穩(wěn)定性問(wèn)題得到了廣泛關(guān)注,已經(jīng)成為擺在交通人面前不可避繞的一個(gè)課題[1]。交通運(yùn)輸部曾先后兩次發(fā)文要求對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)的獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行全面排查,對(duì)存在橫向傾覆風(fēng)險(xiǎn)的橋梁進(jìn)行評(píng)估和提升改造。經(jīng)過(guò)一年多的專項(xiàng)行動(dòng),獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆提升改造工作已接近尾聲,部分已投入運(yùn)營(yíng),運(yùn)營(yíng)狀況良好。為了總結(jié)經(jīng)驗(yàn),為類似橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性能提升改造提供一種簡(jiǎn)單、方便的改造方案,在介紹了獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆性能提升改造的常用方案之后,對(duì)其中增設(shè)鋼蓋梁的方案進(jìn)行了計(jì)算與分析,結(jié)果表明該方法不僅對(duì)既有橋梁的影響最小,而且可以有效提升橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性能,可以在類似的橋梁中進(jìn)行推廣使用。

1 獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性能提升改造常用方案

獨(dú)柱墩橋梁具有占用橋下空間少,外形美觀的優(yōu)點(diǎn),常常用于匝道等橋下空間緊張的橋梁,但這些橋梁往往都是曲線現(xiàn)澆橋,墩頂一般僅設(shè)置一個(gè)支座,當(dāng)重車較多,偏載嚴(yán)重時(shí),較易發(fā)生上部結(jié)構(gòu)整體橫向傾覆的病害[2]。

針對(duì)獨(dú)柱墩橋梁上部結(jié)構(gòu)橫向整體傾覆的病害,國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量研究,提出了很多加固方案,李井輝[3]針對(duì)單支點(diǎn)橋梁的橫向抗傾覆加固提出了在獨(dú)柱墩頂增設(shè)鋼蓋梁、將獨(dú)柱墩改造成薄壁墩、在橋臺(tái)處增設(shè)抗拔錨栓的三種方案,并對(duì)這三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了全面的論述。劉捷等[4]提出在獨(dú)柱墩兩側(cè)新增墩柱,將原獨(dú)柱墩變成三柱墩的加固方案。陳勇等[5]提出了將中墩改造為墩梁固結(jié)、在承臺(tái)兩側(cè)增設(shè)墩柱、通過(guò)植筋將獨(dú)柱墩改造為板式墩或花瓶墩、墩頂增設(shè)蓋梁、增設(shè)抗傾覆裝置、鋼箱梁增加配重等加固方法。

上述加固方法均會(huì)對(duì)原橋的結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不同程度的影響,尤其是將獨(dú)柱墩由單支座改為墩梁固結(jié)體系之后,原橋的受力發(fā)生較大變化,很有可能需要將原橋進(jìn)行加固改造才能通過(guò)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算,工程變化較大,造價(jià)較高。相對(duì)而言增設(shè)鋼蓋梁方案具有增加恒載小、工期短、施工對(duì)橋面交通影響小的優(yōu)點(diǎn)[6],對(duì)原橋的受力影響最小,造價(jià)也最為經(jīng)濟(jì)。

首先對(duì)包茂高速鐘馬段黃姚A匝道跨主線橋的橫向抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,然后對(duì)增設(shè)鋼蓋梁的提升改造方案進(jìn)行了橫向抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算和鋼蓋梁受力驗(yàn)算,可為同類橋梁提供借鑒。

2 項(xiàng)目概況

黃姚A匝道跨主線橋位于G65包茂高速鐘馬段K2669+974處,為匝道橋跨越高速而設(shè),橋長(zhǎng)為124m,跨徑組成為(6×20)m,橋面總寬10.5m(凈寬9.5m)。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁;下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩,肋板臺(tái),基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ),按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

該橋平面位于R=170m,A-90,R1=90m的右偏平曲線上,縱面位于R=2000m的凸形豎曲線上。其中1～5號(hào)墩為單支座獨(dú)柱墩,墩柱直徑均為1.5m,墩高分別為10.0m、10.4m、10.4m、9.8m、9.4m。0號(hào)臺(tái)、6號(hào)臺(tái)均為雙支座。其中3號(hào)墩為固定支座,其余支座均為滑動(dòng)支座。

3 原橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.1 規(guī)范對(duì)橫向抗傾覆穩(wěn)定的要求

《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)第4.1.8條規(guī)定,持久狀況下,梁橋不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變,并應(yīng)同時(shí)滿足下列規(guī)定:

(1)在作用基本組合下,單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)。

(2)按作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合時(shí),整體式截面簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)應(yīng)符合式(1)要求:

(1)

式中:Kqf為橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù),取值為Kqf=2.5;∑Sbk,i為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值;∑Ssk,i為使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

3.2 原橋支座脫空及橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)驗(yàn)算

采用Midas Civil 2020有限元軟件對(duì)全橋進(jìn)行整體建模,分析每個(gè)支座的受力情況。原橋支座分布及編號(hào)如圖1所示。

圖1 原橋支座分布及編號(hào)

對(duì)于永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)Rcki,可以通過(guò)Civil程序自動(dòng)生成的標(biāo)準(zhǔn)組合讀取;對(duì)于失效支座對(duì)應(yīng)最不利汽車荷載的標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)RQki,在找到失效支座的最小反力之后,通過(guò)Civil程序并發(fā)反力組來(lái)尋找該支座失效時(shí)對(duì)應(yīng)的其他支座由汽車荷載引起的反力值,然后根據(jù)計(jì)算式1.0Rcki+1.4RQki來(lái)計(jì)算基本組合反力。具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 原橋橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)驗(yàn)算結(jié)果表

上述計(jì)算結(jié)果表明,該橋在作用基本組合下,單向受壓支座0-1#、6-1#的支座反力均小于0,會(huì)發(fā)生脫空,無(wú)法始終保持受壓狀態(tài);橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)小于2.5,故需對(duì)該橋的橫向抗傾覆穩(wěn)定性能進(jìn)行提升改造。

4 橫向抗傾覆性能提升改造措施及結(jié)果驗(yàn)算

4.1 橫向抗傾覆性能提升改造措施

張振濤等[7]指出橋?qū)捙c支座間距之比是影響橋梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性能的主要因素。由于該橋已經(jīng)建成,橋?qū)捯呀?jīng)固定,故只能通過(guò)增大支座間距的方式來(lái)減小橋?qū)捙c支座間距的比值,從而提高橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性能。結(jié)合前文論述,該橋采用增設(shè)鋼蓋梁的方式將原獨(dú)柱墩頂?shù)膯沃ё脑鞛槿ё?但3號(hào)墩位于主線中分帶處,主線與匝道的右偏角為76°,若在3號(hào)墩頂增設(shè)鋼蓋梁,則不僅施工難度大,而且會(huì)影響主線凈高,故本次僅按照在1#、2#、4#、5#墩頂增加鋼蓋梁的方案,最后再根據(jù)計(jì)算結(jié)果決定是否在3號(hào)墩頂增設(shè)鋼蓋梁。

為了保證鋼蓋梁整體質(zhì)量及焊接可靠性,鋼蓋梁半結(jié)構(gòu)均在工廠完成標(biāo)準(zhǔn)化加工,在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝到位后再焊接成一體[8]。鋼蓋梁半結(jié)構(gòu)焊接完成后,再焊接支座墊石外圍鋼板,通過(guò)支座下鋼板上的頂升螺桿頂升新增支座至與箱梁下表面密接但不承壓狀態(tài),待支座安裝完成后,澆筑墊石水泥基灌漿料,確保支座墊石密實(shí)。

鋼套筒與墩柱的連接采用倒錐形錨栓錨固及A級(jí)膠粘貼的兩種方式來(lái)確保兩者共同受力。施工時(shí)首先在混凝土墩柱上鉆孔,開(kāi)孔完畢后,在鋼套筒上標(biāo)出錨固螺栓孔的準(zhǔn)確位置,再對(duì)鋼套筒進(jìn)行開(kāi)孔作業(yè)。最后在鋼套筒與混凝土墩柱之間的空隙中壓力注入A級(jí)膠。鋼蓋梁提升改造立面及平面圖如圖2、圖3所示。

圖2 鋼蓋梁提升改造立面(單位:mm)

圖3 鋼蓋梁提升改造平面(單位:mm)

4.2 提升改造后支座脫空及橫向抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

如在橫向抗傾覆性能提升改造措施中所述,獨(dú)柱墩頂新增的支座A、B僅與箱梁底面密切接觸,但不承壓,即新增支座在恒載作用下不參與受力,在活載作用下,梁體發(fā)生變形后開(kāi)始參與受力。故在模擬新增支座時(shí),僅考慮其活載作用下的效應(yīng)。為了模擬這種受力形態(tài),可以采用在Midas Civil中增加施工階段,將新增支座在收縮徐變階段激活的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。新增支座后支座編號(hào)及計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 新增支座后支座分布及編號(hào)

永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)Rcki、失效支座對(duì)應(yīng)最不利汽車荷載的標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)RQki的提取方法與原橋計(jì)算時(shí)采用的方法相同。對(duì)原橋進(jìn)行橫向抗傾覆性能提升改造之后,其支座脫空及橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 提升改造后橫向抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果表

由于新增支座在模擬時(shí)僅承受活載,不考慮恒載的影響,故其支座脫空驗(yàn)算(特征狀態(tài)1驗(yàn)算)沒(méi)有意義[9],僅考慮新增支座對(duì)橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的貢獻(xiàn)。由表2可知在新增支座之后,原橋支座的反力均大于0,不會(huì)出現(xiàn)支座脫落現(xiàn)象,其抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)約為6.9,大于規(guī)范規(guī)定的2.5,可見(jiàn)通過(guò)增設(shè)鋼蓋梁并新增支座的方法提高橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性的效果非常明顯。

4.3 鋼蓋梁受力驗(yàn)算

鋼蓋梁驗(yàn)算通過(guò)Midas FEA NX建立的實(shí)體模型進(jìn)行驗(yàn)算,通過(guò)在支座位置施加集中力的方式模擬其受力情況,施加的集中力取1-1#、1-3#、2-1#、2-3#、4-1#、4-3#、5-1#、5-3#中的最大值,該值在4-3#支座的基本組合下取得,為1576kN。

建模時(shí)鋼蓋梁的鋼套筒與混凝土墩墩柱間的連接采用共享面進(jìn)行模擬,支座、支座墊石及鋼蓋梁上鋼板間的連接也采用共享面進(jìn)行模擬[10]。邊界條件通過(guò)在墩柱底面添加固定約束的方式實(shí)現(xiàn)。上部結(jié)構(gòu)反力通過(guò)在支座頂面添加壓力的方式實(shí)現(xiàn),確保支座頂面總的反力值為1576kN。結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)考慮。所建整體模型如圖5所示。

圖5 鋼蓋梁計(jì)算整體模型

經(jīng)過(guò)計(jì)算得知,鋼蓋梁的馮米斯應(yīng)力云圖(Von Mises)如圖6所示,其最大應(yīng)力為58.6MPa,最小應(yīng)力為1.57MPa,均小于Q355NHC鋼材的屈服強(qiáng)度,故鋼蓋梁受力驗(yàn)算滿足要求。

圖6 鋼蓋梁計(jì)算Von Mises應(yīng)力云圖(單位:MPa)

5 結(jié)束語(yǔ)

獨(dú)柱墩橋梁雖然具有橋下空間小的優(yōu)點(diǎn),但由于其整體穩(wěn)定性較差,故今后在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意其橫向抗傾覆性能的驗(yàn)算,盡可能地避免曲線橋梁連續(xù)設(shè)置單支座的情況。通過(guò)計(jì)算可見(jiàn),具有5個(gè)連續(xù)獨(dú)柱墩的6跨彎橋,通過(guò)增設(shè)鋼蓋梁的方式新增8個(gè)支座之后,不僅可以避免支座脫空,而且其橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)由1.0增大至6.9,可以滿足規(guī)范對(duì)橋梁橫向抗傾覆性能的要求。由于新增支座距離原橋支座僅為1.5m,故新增支座的反力通常不大,鋼蓋梁的受力驗(yàn)算也較易通過(guò)?？梢?jiàn)采用增設(shè)鋼蓋梁的方式來(lái)提升獨(dú)柱墩橋梁的橫向抗傾覆性能的效果明顯,可以作為改造既有獨(dú)柱墩橋梁的常用方法。