獨(dú)柱墩橋梁在偏載荷作用下抗傾覆驗(yàn)算及處理措施

李 輝

(廣州市鳳凰山隧道建設(shè)有限公司, 廣州 510535)

由于獨(dú)柱墩橋梁具有占地少、復(fù)雜場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),目前在國(guó)內(nèi)外城市立交、公路跨線工程等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。然而隨著交通運(yùn)輸量不斷增加,車輛超載過橋?qū)е聵蛄旱顾氖鹿蕦矣袌?bào)道,造成嚴(yán)重的人員傷亡和社會(huì)影響[2-4]。彭衛(wèi)兵、吉伯海、熊文等[5-8]統(tǒng)計(jì)了近年來國(guó)內(nèi)外此類事件,198座橋梁安全事故原因分析顯示:因車輛超載導(dǎo)致事故發(fā)生的比例為 11. 2%,其中因車輛超載引起的橋梁梁體傾覆占超載引起事故的45.5%。隨著橋梁橫向傾覆事故的增多,對(duì)橋梁抗傾覆分析與加固研究也越來越多。目前國(guó)內(nèi)外橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)橋梁抗傾覆均有要求,如《日本道路橋示方書-同解說(2021共通編)》中將活載與恒載組合后的最小反力作為橫向抗傾覆的控制依據(jù)。在計(jì)算支座反力時(shí),活載效應(yīng)取2倍的系數(shù)[9]。美國(guó)AASHTO《橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]限定了獨(dú)柱墩支座最小豎向反力與支座承載力的比值。該規(guī)范指出:結(jié)構(gòu)為一個(gè)整體或構(gòu)件時(shí),都應(yīng)使其具有抵抗滑動(dòng)、傾覆、分離或壓曲的能力,在分析和設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮荷載偏心距的影響,并對(duì)連續(xù)結(jié)構(gòu)的最小支座數(shù)量進(jìn)行限制。我國(guó)《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)[11]寫明了抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的最小不得低于2.5。各國(guó)在獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆方面均有研究﹐但橋梁橫向傾覆機(jī)理異常復(fù)雜,各國(guó)在超載車輛偏載作用下橋梁抗傾覆受力研究還處于初級(jí)階段?，F(xiàn)有規(guī)范中橋梁傾覆的計(jì)算方法及安全系數(shù)主要以工程經(jīng)驗(yàn)為主,仍需開展系統(tǒng)、深入的研究工作[12],以減少獨(dú)柱墩橋梁橫向傾覆事故發(fā)生。為此,本文以黃麻互通A匝道1號(hào)橋?yàn)槔?針對(duì)其在偏載作用下存在抗傾覆能力不足問題,采用了將獨(dú)柱單支承改為多支承的措施提高其抗傾覆能力,并通過加固前后抗傾覆能力對(duì)比,供其他類似獨(dú)柱墩抗傾覆驗(yàn)算和加固工程參考。

1 工程概況

廣州市鳳凰山高速公路呈東西走向,是粵港澳大灣區(qū)連接廣州市和東部地區(qū)的重要交通動(dòng)脈,位于其中部的黃麻互通A匝道1號(hào)橋第2聯(lián)存在3個(gè)連續(xù)的獨(dú)柱墩,且該區(qū)間段上跨交通量巨大的廣汕公路,為更好保證橋梁的安全性,將對(duì)區(qū)間段橋梁進(jìn)行更高安全性的抗傾覆驗(yàn)算。黃麻互通A匝道1號(hào)橋橋梁中心樁號(hào)為AK0+482,橋跨組合為(25+2×28.5+2×25)m,橋長(zhǎng)132 m。上部結(jié)構(gòu)采用部分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,混凝土為C50,橋墩采用柱式墩混凝土為C40,基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁,混凝土為C30。該橋原設(shè)計(jì)為單向雙車道,設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí),橋梁寬度10.5 m。其中,預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆梁的4#、5#、6#墩采用獨(dú)柱墩(墩柱直徑1.6 m)。

2 抗傾覆驗(yàn)算

2.1 荷載取值

1) 一期恒載為梁部自重?；炷寥葜厝?6 kN/m3,箱梁按實(shí)際斷面計(jì)取重量。

2) 二期恒載包括瀝青混凝土鋪裝(混凝土鋪裝)+2道混凝土防撞護(hù)欄,鋪裝層僅作為恒載施加,不參與結(jié)構(gòu)受力。

3) 活載及車道荷載偏載作用布置。本橋?yàn)閺潣?橋?qū)?0.5 m,原設(shè)計(jì)為2車道,為計(jì)算橋梁在大車流偏載情況下承載能力,對(duì)橋面布設(shè)3個(gè)車道,汽車荷載采用公路-Ⅰ級(jí)荷載 。

4) 離心力:當(dāng)彎道橋的曲線半徑等于或者小于250 m時(shí),應(yīng)計(jì)算汽車荷載引起的離心力。汽車荷載離心力標(biāo)準(zhǔn)值為車輛荷載(不計(jì)沖擊力)標(biāo)準(zhǔn)值乘以離心力系數(shù)C[13]。離心力系數(shù)計(jì)算:C=V2/(127R)。

5) 強(qiáng)迫位移及溫度力:支座沉降5.0 mm。橋梁體系整體升溫25 ℃;橋梁體系整體降溫25 ℃。

2.2 建立計(jì)算模型

黃麻互通A匝道1號(hào)橋第2聯(lián)4#墩采用單支座獨(dú)柱式圓形墩,5#和6#橋墩為墩梁固結(jié)獨(dú)柱橋墩,3#、7#和8#橋墩為獨(dú)柱雙支座過渡墩,樁徑均為1.5 m,實(shí)際布置平面見圖1。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采用橋梁空間計(jì)算軟件Midas Civil 進(jìn)行計(jì)算,建立空間梁?jiǎn)卧Ｐ?按實(shí)際結(jié)構(gòu)模擬曲線梁、車道布置、支座位置及剛度等,支座通過彈性連接來模擬,墩梁固結(jié)通過剛性連接來模擬,見圖2。

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圖2 計(jì)算模型

2.3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算原理

本橋?yàn)閺潣?最不利情況為外側(cè)偏載情況。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)[11],在持久狀況下,梁橋不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變,將采用2個(gè)特征狀態(tài)作為抗傾覆驗(yàn)算工況:

1) 針對(duì)特征狀態(tài)1,作用基本組合下,箱梁的單向受壓支座處于受壓狀態(tài);

2) 針對(duì)特征狀態(tài)2,采用“穩(wěn)定作用效應(yīng)≥穩(wěn)定系數(shù)×失穩(wěn)作用效應(yīng)”的表達(dá)式。

箱梁橋處于特征狀態(tài)2時(shí),各個(gè)橋墩都存在一個(gè)有效支座。穩(wěn)定效應(yīng)和失穩(wěn)效應(yīng)按照失效支座對(duì)有效支座的力矩計(jì)算。

3 受力驗(yàn)算及結(jié)論

3.1 受力驗(yàn)算過程

作用基本組合下,3#-1支座、3#-2支座、4#支座、5#支座、6#支座、7#-1支座、7#-2支座、8#-1支座、8#-2支座的最小反力值分別為-674.7 kN、171.8 kN、5 426.9 kN、5 663.5 kN、5 121.2 kN、1 542.9 kN、1 868.4 kN、68.8 kN、767.7 kN?？芍?#-1支座(橋墩處內(nèi)側(cè)支座)出現(xiàn)負(fù)反力,不滿足特征狀態(tài)1要求。根據(jù)交通運(yùn)輸部《公路危舊橋梁排查和改造技術(shù)要求》附錄C.1.2,對(duì)不滿足支座脫壓驗(yàn)算的橋墩,需對(duì)支承反力重分布的蓋梁、墩柱、基礎(chǔ)(地基)和支座進(jìn)行承載力驗(yàn)算。同時(shí)應(yīng)開展固結(jié)墩墩頂、墩底、墩身截面尺寸與配筋變化處等的承載力驗(yàn)算。

將該聯(lián)支座反力重分布后,各支座承載力驗(yàn)算如表1所示。由表1可知,各支座反力均小于支座承載力,因此,獨(dú)柱墩的原設(shè)計(jì)支座型號(hào)選取合理。

表1 支座承載力驗(yàn)算結(jié)果

按《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)[11]8.4.7條獨(dú)柱墩墩帽拉壓桿模型計(jì)算方法對(duì)3#、7#和8#立柱墩帽驗(yàn)算,結(jié)果如表2所示。表2顯示,標(biāo)準(zhǔn)組合下安全系數(shù)均大于2.5,墩帽承載力均滿足要求。

表2 墩帽承載力驗(yàn)算結(jié)果

采用Midas Civil任意截面設(shè)計(jì)器計(jì)算5#、6#橋墩截面抗彎承載力,彎矩-曲率見圖3。圖3表明,2個(gè)橋墩的截面等效屈服彎矩為12 723 kN·m。根據(jù)Midas Civil計(jì)算,5#、6#固結(jié)墩驗(yàn)算結(jié)果如表3所示。

表3 橋墩承載力驗(yàn)算結(jié)果

圖3 彎矩-曲率

表3結(jié)果表明,標(biāo)準(zhǔn)組合下,5#、6#橋墩彎矩內(nèi)力均小于抗彎承載力,且安全系數(shù)均大于2.5,其承載力滿足要求。

本橋樁基礎(chǔ)原設(shè)計(jì)均采用嵌巖樁,承載力富裕量大,偏載影響有限,樁基承載力仍可滿足要求。

3.2 驗(yàn)算結(jié)果

按《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)[11]4.1.8第1條計(jì)算,本橋3#橋墩內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)脫空,不滿足特征狀態(tài)1要求。為防止該區(qū)間段獨(dú)柱墩橋梁在多車輛偏載情況下出現(xiàn)傾覆的安全隱患,需采用合理的方案來消除3#橋墩內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)脫空的問題,以全面提高橋梁的安全通行能力。

4 處理措施與橋梁受力復(fù)核驗(yàn)算

4.1 處理措施

根據(jù)黃麻互通A匝道1號(hào)橋第2聯(lián)上跨的廣汕公路車流實(shí)際情況和各立柱周邊環(huán)境的施工難度,采用了對(duì)4#橋墩處增設(shè)鋼蓋梁,將單支承改為多支承的方案[14]。具體措施:在4#橋墩墩頂增設(shè)長(zhǎng)4.3 m、高1.8 m的鋼結(jié)構(gòu)蓋梁,通過錨栓將鋼蓋梁與混凝土柱進(jìn)行連接形成整體,蓋梁頂兩側(cè)增設(shè)支座,新增支座與原支座間距為1.5 m,見圖4。

單位:cm

4.2 橋梁受力復(fù)核驗(yàn)算

1) 在偏載情況4#墩鋼蓋梁左側(cè)支座起作用時(shí),在基本組合下,3#支座內(nèi)側(cè)最小支反力為453 kN,大于0;且其余墩柱的最小支反力均大于0,沒有出現(xiàn)負(fù)反力,橋梁整體抗傾覆驗(yàn)算滿足特征狀態(tài)1要求。

2) 在偏載情況4#墩鋼蓋梁右側(cè)支座起作用時(shí),在基本組合下,3#支座內(nèi)側(cè)最小支反力為190.7 kN,大于0;且其余墩柱的最小支反力均大于0,沒有出現(xiàn)負(fù)反力,橋梁整體抗傾覆驗(yàn)算滿足特征狀態(tài)1要求。

3) 4#墩增加新蓋梁后,4#墩、5#墩和6#墩在標(biāo)準(zhǔn)組合下的彎矩分別為4 966.8 kN·m、4 052.3 kN· m、1 461.1 kN·m,抗彎承載力安全系數(shù)分別為2.6、3.1和10.2,均滿足規(guī)范要求。

4.3 加固處理前后橋梁抗傾覆能力對(duì)比

驗(yàn)算結(jié)果表明,增加鋼蓋梁及支座后,3#-1支座處的反力由-674.7 kN變?yōu)?90.7 kN,該方案有效消除了3#-1支座為負(fù)反力的問題,其他支座反力基本未受影響。5#墩和6#墩抗彎承載力安全系數(shù)分別由2.87和8.7提高到了3.1和10.2,黃麻互通A匝道1號(hào)橋第2聯(lián)橋梁抗傾覆驗(yàn)算滿足要求,抗傾覆性能得到了提升。

5 結(jié)束語

1) 針對(duì)在偏載作用下案例獨(dú)柱墩橋梁存在的抗傾覆性能低的問題,采用數(shù)值建模并對(duì)該類獨(dú)柱墩橋進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算,3#-1墩支座最小反力為-674.7 kN,不滿足《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)中規(guī)定的“作用基本組合下,箱梁的單向受壓支座處于受壓狀態(tài)”的抗傾覆驗(yàn)算要求。

2) 采用在4#橋墩頂部增設(shè)鋼蓋梁,將獨(dú)柱單支承改為多支承的措施,解決了3#-1墩支座在偏載作用下會(huì)出現(xiàn)支座脫空的問題,并采用橋梁空間計(jì)算軟件Midas Civil 對(duì)加固后的4#～6#橋墩進(jìn)行了驗(yàn)算,彎矩分別為4 966.8 kN·m、4 052.3 kN·m、1 461.1 kN·m,安全系數(shù)分別2.6、3.1和10.2,滿足規(guī)范要求。

3) 案例應(yīng)用表明,獨(dú)柱單支撐改為多點(diǎn)支撐方案可有效解決支座脫空問題,并能提升橋梁的抗傾覆性能,為以后獨(dú)柱墩抗傾覆驗(yàn)算和加固提供了一個(gè)成功案例。