橫向三支座體系箱梁橋抗傾覆加固計(jì)算模式研究

扈軒誠(chéng) 高 宇 賀小衛(wèi) 王虎軍

（西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068）

0 引言

近年來(lái)獨(dú)柱墩橋梁遇超載傾覆事故時(shí)有發(fā)生，造成重大生命財(cái)產(chǎn)損失。為防控橋梁運(yùn)營(yíng)中傾覆的風(fēng)險(xiǎn)，需要采取適當(dāng)措施來(lái)提高獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆能力。為此，國(guó)內(nèi)不少專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了很多的研究。周勇軍等[1]總結(jié)典型橋梁傾覆事故，從傾覆破壞機(jī)理、影響傾覆穩(wěn)定性因素和抗傾覆控制3個(gè)方面歸納獨(dú)柱墩橋梁的研究現(xiàn)狀，建議基于可靠度理論、傾覆破壞模式、合理傾覆軸力學(xué)模型來(lái)完善相關(guān)計(jì)算理論和方法。呂平[2]對(duì)218座橋梁開(kāi)展橋梁抗傾覆性能分析，依據(jù)分析結(jié)果，采取控制變量法，分析曲率半徑、支座間距、跨徑組合方式、橋?qū)?、溫度、過(guò)度超載對(duì)獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋傾覆性能的影響。杜軍[3]結(jié)合具體工程實(shí)例，提出了不同的加固改造方案，總結(jié)了兩種特征狀態(tài)下超過(guò)規(guī)范限值的、有傾覆風(fēng)險(xiǎn)的橋梁處治方式。徐德志[4]以剛性假設(shè)為基礎(chǔ),討論箱梁整體抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算公式，并對(duì)各影響因素進(jìn)行參數(shù)分析，通過(guò)幾何分析及公式推導(dǎo),得出抗傾覆穩(wěn)定最不利半徑計(jì)算公式，并編制參數(shù)化最不利半徑參照表，以方便使用。官快等[5]建立了獨(dú)柱墩梁橋非線性有限元模型，分析抗傾覆全過(guò)程力學(xué)機(jī)理，結(jié)果表明傾覆內(nèi)力、變形包括端支座脫空前后兩個(gè)階段，中墩剛度以及設(shè)預(yù)偏心能明顯提高其抗傾覆穩(wěn)定性。

然而，以往橋梁設(shè)計(jì)均采用橫向單支座或橫向雙支座體系，很少采用橫向三支座體系。抗傾覆加固改造中為利用既有橋梁支座，不改變或少改變橋梁結(jié)構(gòu)體系，多采用新增蓋梁并在蓋梁上原獨(dú)柱墩墩頂兩側(cè)各增加一個(gè)支座的形式進(jìn)行加固處治，這樣就形成了橫向三支座體系。本文以西安三環(huán)上一座獨(dú)柱墩梁橋?yàn)槔?，模擬加固后三支座體系的受力狀態(tài)，探究橫向三支座在橋梁抗傾覆中發(fā)生作用的模式，并進(jìn)一步進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，針對(duì)驗(yàn)算結(jié)果，提出合適的抗傾覆加固計(jì)算模式。

1 工程概況

廣運(yùn)大橋跨灞柳西路引橋第二聯(lián)跨徑布置為28m+25m+22m，橋梁寬度16.5m。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，斷面為單箱雙室斜腹箱形。箱梁高度1.3m，外側(cè)懸臂長(zhǎng)3.5m。懸臂端部厚0.18m，根部厚0.45m，箱梁底板厚度0.2～0.4m，頂板厚度0.22m，腹板厚度0.45～0.70m。下部結(jié)構(gòu)采用獨(dú)柱圓墩，墩徑為1.8m，橋臺(tái)為樁柱式橋臺(tái)。橋梁平面位于直線段上。

圖1 廣運(yùn)橋引橋橫斷面布置圖

由于現(xiàn)狀獨(dú)柱墩跨越道路，在滿足加固需求的前提下，為達(dá)到較好的景觀效果，加固方案為獨(dú)柱墩增設(shè)鋼蓋梁，并在鋼蓋梁上設(shè)置支點(diǎn)的加固方式。這種加固方式的特點(diǎn)是希望保留原橋支座使其繼續(xù)承擔(dān)原橋恒載，而原橋支座及兩側(cè)新增支座能共同承擔(dān)活載，在不改變?cè)Y(jié)構(gòu)受力體系的情況下可顯著提高上部結(jié)構(gòu)抗傾覆性能。

施工工序?yàn)椋海?）搭設(shè)必要的施工支架；（2）施工前，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)鋼蓋梁投影位置，核對(duì)建筑限界情況；（3）核查現(xiàn)場(chǎng)支座病害情況、墩柱尺寸、支撐總高度與設(shè)計(jì)相符性，以便對(duì)支座墊石高度進(jìn)行修正；（4）中橫梁梁底灌注粘貼鋼板；（5）安裝鋼蓋梁部位墩柱混凝土鑿毛清理，之后進(jìn)行鋼蓋梁施工；（6）安裝新支座并采用鋼板塞實(shí)，使其與梁底緊密貼合。

2 加固目標(biāo)及原則

2.1 加固目標(biāo)

經(jīng)過(guò)加固后的橋梁需要滿足《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)第4.1.8條規(guī)定：在持久狀況下，橋梁不應(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）作用標(biāo)準(zhǔn)值按作用標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行組合時(shí)（按2018 規(guī)范第7.1.1 條取用），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（4.1.8）的要求：

式中：kqf——橫橋向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；

ΣSbk,i——使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；

ΣSsk,i——使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

2.2 加固原則

綜合考慮獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果及橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況，在解決支座脫壓?jiǎn)栴}及橋墩裂縫寬度驗(yàn)算滿足規(guī)范要求問(wèn)題的前提下，保證技術(shù)可行、安全可靠，力求施工方便快捷，同時(shí)將加固施工對(duì)交通運(yùn)營(yíng)的影響降至最低。

3 獨(dú)柱墩傾覆模式

結(jié)構(gòu)采用Midas CIVIL 2021有限元分析軟件進(jìn)行抗傾覆計(jì)算。全橋劃分梁?jiǎn)卧獢?shù)量75 個(gè)。恒載考慮自重、二期、預(yù)應(yīng)力、支座沉降，活載考慮汽車(chē)活載、溫度荷載。其中恒載：鋼筋混凝土：γ=26kN/m3；支座沉降5mm；活載：按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）車(chē)道最不利偏載設(shè)置。

加固前橋臺(tái)處支座為雙支座，間距為6.2m。中間墩頂支座為單支座，加固后為三支座。支座按彈性連接+一般支撐的形式模擬，有限元模型及編號(hào)如圖2所示。

圖2 箱梁整體有限元模型

在進(jìn)行橋梁抗傾覆分析的過(guò)程中，多支座系統(tǒng)不像《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》后附算例的雙支座系統(tǒng)那樣有明確簡(jiǎn)潔的受力模式，橋梁模型在偏載下產(chǎn)生的縱向墩頂反力會(huì)在橫向多支座間的分配與轉(zhuǎn)換上存在多種可能。由于直線箱梁結(jié)構(gòu)及外荷載關(guān)于橋梁中心線對(duì)稱(chēng)，產(chǎn)生的效應(yīng)同樣對(duì)稱(chēng)，故本文僅以橋梁整體沿中心線向右側(cè)傾覆為例進(jìn)行分析。具體來(lái)說(shuō)，支座約束條件對(duì)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的影響存在以下3種計(jì)算模式：

（1）加固后1、4 號(hào)支座為雙支座受力體系，2、3 號(hào)為三支座受力體系。當(dāng)橋梁向右傾覆時(shí)，左側(cè)2-1、2、3-1、3支座同步脫空，存在負(fù)反力。

（2）加固后1、4 號(hào)支座為雙支座受力體系，2、3 號(hào)為三支座受力體系。當(dāng)橋梁向右傾覆時(shí)，左側(cè)2-1、3-1支座早已脫空，不參與受力，此時(shí)2、3 支座簡(jiǎn)化為雙支座受力體系。

（3）加固后1、4 號(hào)支座為雙支座受力體系，2、3 號(hào)為三支座受力體系。當(dāng)橋梁向右傾覆時(shí)，左側(cè)2-1、3-1支座脫空，存在負(fù)反力，中間2、3 支座由于臨界狀態(tài)內(nèi)力重分布不參與受力，此時(shí)2、3 支座橫向簡(jiǎn)化為雙支座受力體系。

4 抗傾覆計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 抗傾覆計(jì)算結(jié)果

采用并發(fā)反力組的方式提取支座反力最小值，對(duì)以上3種模式傾覆結(jié)果分析如下：

（1）第一種情況抗傾覆計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表1；

表1 第一種模式箱梁抗傾覆計(jì)算結(jié)果

（2）第二種模式抗傾覆計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表2；

表2 第二種模式箱梁抗傾覆計(jì)算結(jié)果

（3）第三種模式抗傾覆計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 第三種模式箱梁抗傾覆計(jì)算結(jié)果

采用并發(fā)反力組的方式提取偏載下支座反力最大值，第一、二、三種模式下新增支座的反力最大值分別為934kN、904kN、1122kN。

4.2 結(jié)果分析

對(duì)以上3 種橋梁傾覆時(shí)支座反力分布形式穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）第一、二、三種模式下選定效應(yīng)M0數(shù)值分別為63977,63987,64686，相差不超過(guò)1.1%，十分接近；特征狀態(tài)2 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最小值分別11.1、11.1、11.3，十分接近?？梢钥闯?，采用不同計(jì)算模式對(duì)結(jié)構(gòu)最小抗傾覆系數(shù)影響不大。

（2）第一、二、三種模式下特征狀態(tài)2 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最大值分別為29.1、21.7、17.3，依次減小，同時(shí)第三種模式穩(wěn)定系數(shù)在多種偏載工況下數(shù)值分布上、下限最為接近，最為均勻?？芍谥豢紤]箱梁抗傾覆問(wèn)題下，第三種模式計(jì)算相對(duì)更為合理。

（3）由于本箱梁橋橫梁剛度較為均勻，第三種模式下由于臨界狀態(tài)內(nèi)力重分布導(dǎo)致中間2、3號(hào)支座不參與受力的模式理論上難以發(fā)生，若采用此方式計(jì)算，支座反力由中支點(diǎn)重新分布至蓋梁兩側(cè)支點(diǎn)，原結(jié)構(gòu)的橫梁將發(fā)生內(nèi)力重分布，需按新的支座反力進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算并滿足規(guī)范要求的計(jì)算內(nèi)容。這也是需重點(diǎn)考慮的。

（4）按第二種模式計(jì)算，更好地實(shí)現(xiàn)了本文希望使原支座承擔(dān)原橋恒載，使原支座及兩側(cè)新增支座共同承擔(dān)活載的目標(biāo)，接近于實(shí)際施工要求；且最小抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與其他兩種基本一致。故在實(shí)際橋梁分析計(jì)算中，可按第二種模式進(jìn)行抗傾覆計(jì)算，即橋梁處于傾覆狀態(tài)時(shí)橫向三支座體系可簡(jiǎn)化為中間支座和傾覆側(cè)單支座組成的兩支座體系，并得到可靠的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最小值。

（5）第一、二、三種模式下新增支座的反力最大值分別為934kN、904kN、1122kN。忽略第三種模式內(nèi)力重分布造成的影響，可知在第二種模式下，支座最大反力與第一種模式相比差距不大，可直接提高5%用于下一步支座選型及蓋梁設(shè)計(jì)、橋墩驗(yàn)算等后續(xù)內(nèi)容。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以廣運(yùn)橋引橋獨(dú)柱墩梁橋?yàn)槔?，進(jìn)行三支座條件下不同模式下的抗傾覆驗(yàn)算，得出以下主要結(jié)論：3 種模式下特征狀態(tài)2 計(jì)算上差別不大；在只考慮抗傾覆問(wèn)題下，第三種模式相對(duì)更為合理，但由于第三種模式下中支座不參與受力理論上難以發(fā)生，且原結(jié)構(gòu)的橫梁內(nèi)力發(fā)生重分布，需按新的支座反力進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算并滿足規(guī)范要求。第二種模式實(shí)現(xiàn)了原支座承擔(dān)恒載，原支座及新增支座共同承擔(dān)活載的目標(biāo)，最小抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與其他兩種基本一致。故在實(shí)際橋梁分析中，可按第二種模式進(jìn)行抗傾覆計(jì)算，并得到可靠的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最小值。在第二種模式下，支座最大反力可直接提高5%來(lái)用于下一步的支座選型及蓋梁設(shè)計(jì)、橋墩驗(yàn)算等內(nèi)容。