獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆穩(wěn)定性分析及加固改造研究

作者簡(jiǎn)介：

黃書考（1996—），碩士，助理工程師，研究方向：橋梁加固改造。

文章對(duì)獨(dú)柱墩梁橋傾覆事故及常見破壞形式進(jìn)行總結(jié)，分析獨(dú)柱墩梁橋傾覆破壞過程原理及其抗傾覆性能的重要影響因素，對(duì)獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆驗(yàn)算的支座反力法與穩(wěn)定系數(shù)法進(jìn)行研究，探討其加固方式及原理，并結(jié)合廣西南友高速公路某互通立交跨線橋抗傾覆加固工程項(xiàng)目實(shí)例，從經(jīng)濟(jì)、安全等方面比選出合理的加固方案，采用穩(wěn)定系數(shù)法對(duì)該橋抗傾覆性能進(jìn)行驗(yàn)算。研究成果可為類似獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆穩(wěn)定性分析、加固改造設(shè)計(jì)提供參考。

獨(dú)柱墩梁橋；抗傾覆；影響因素；驗(yàn)算方法；加固設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U443.2 A 28 090 3

0 引言

隨著城市復(fù)雜立體交通網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，為緩解橋梁基礎(chǔ)與地下建筑的沖突，改善橋梁下部結(jié)構(gòu)空間布局，減少占地面積，獨(dú)柱墩梁橋成為互通立交的常見橋型，其具備結(jié)構(gòu)輕巧、跨越能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但近年來，我國(guó)發(fā)生了多起獨(dú)柱墩梁橋傾覆事故，這使得獨(dú)柱墩梁橋的橫向抗傾覆穩(wěn)定性逐漸被重視。同時(shí)，交通運(yùn)輸部于2018年正式頒布了《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），越來越多的獨(dú)柱墩梁橋需要進(jìn)行抗傾覆性能驗(yàn)算。本文以獨(dú)柱墩梁橋加固改造的工程實(shí)例為基礎(chǔ)，分析了獨(dú)柱墩梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、抗傾覆穩(wěn)定性影響因素、驗(yàn)算方法以及加固改造方案設(shè)計(jì)，為獨(dú)柱墩梁橋的加固改造工程提供參考。

1 獨(dú)柱墩梁橋傾覆事故分析

在超限的偏心荷載作用下，獨(dú)柱墩梁橋發(fā)生傾覆事故前不會(huì)出現(xiàn)明顯征兆，難以提前做好預(yù)防，一旦發(fā)生事故則損失慘重。通過總結(jié)十多年來我國(guó)發(fā)生的獨(dú)柱墩梁橋傾覆事故原因及造成的傷亡情況，可以發(fā)現(xiàn)其破壞形式大多為主梁整體傾覆側(cè)翻而導(dǎo)致的橋梁破壞，如表1所示。

2 獨(dú)柱墩梁橋結(jié)構(gòu)分類及常見破壞形式

2.1 結(jié)構(gòu)分類

獨(dú)柱墩梁橋可以按照中墩數(shù)量、支承方式、中墩連接方式和主梁類型等多種方法進(jìn)行分類。其中，按照中墩數(shù)量及墩上支座數(shù)量的不同，可以分為獨(dú)柱單支承、獨(dú)柱雙支承和雙柱支承3類。按照中墩連接方式及主梁類型的組合，可以分為中墩固結(jié)獨(dú)柱梁橋、中墩鉸接直線獨(dú)柱梁橋及中墩鉸接曲線獨(dú)柱梁橋3類［1］。

2.2 常見破壞形式

在偏心超載作用下，根據(jù)破壞形態(tài)，可以將獨(dú)柱墩梁橋的破壞形式分為單側(cè)支撐系統(tǒng)破壞、橫橋向傾覆失穩(wěn)破壞及整體傾覆破壞這3種類型。獨(dú)柱墩梁橋傾覆過程分類如圖1所示。

2.2.1 單側(cè)支撐系統(tǒng)破壞

曲線型獨(dú)柱墩梁橋，在超限偏載作用下，梁的中間支座會(huì)有向上位移的趨勢(shì)，中間支座提供的約束反力會(huì)減小。梁端一側(cè)提供抗扭約束的部分支座可能出現(xiàn)反力甚至發(fā)生脫空現(xiàn)象，最終導(dǎo)致支座反力重分配；另一端支座反力增大，使梁端接頭處破壞或橋墩發(fā)生偏心受壓破壞，最終導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆破壞。

2.2.2 橫橋向傾覆失穩(wěn)破壞

獨(dú)柱墩梁橋特別是支座距離較小的寬梁橋，在超限偏載作用下，某一方向支座發(fā)生空鼓導(dǎo)致端頭轉(zhuǎn)角幅度增大時(shí)，使梁體發(fā)生滾動(dòng)傾覆破壞，或梁體扭轉(zhuǎn)變形增大從而出現(xiàn)剪扭破壞。

2.2.3 整體傾覆破壞

在超限的偏心荷載作用下，梁體的扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)使支座產(chǎn)生橫向移動(dòng)趨勢(shì)，從而導(dǎo)致橋墩受到水平反作用力，當(dāng)梁體扭轉(zhuǎn)角度不斷增大時(shí)，橋墩可能因此發(fā)生彎曲破壞，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生整體破壞。

3 抗傾覆穩(wěn)定性分析

3.1 傾覆破壞過程原理

獨(dú)柱墩梁橋發(fā)生傾覆破壞時(shí)，通常是梁體整體側(cè)向翻轉(zhuǎn)，即傾覆過程經(jīng)歷兩個(gè)特征狀態(tài)：特征狀態(tài)1是當(dāng)偏載過大時(shí)，支座不能提供正常約束，即遠(yuǎn)離偏載側(cè)邊墩支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象；特征狀態(tài)2是當(dāng)梁的扭轉(zhuǎn)變形增大，中墩支座轉(zhuǎn)角超限，抗扭力矩失效。直橋抗傾覆性能通常由特征狀態(tài)1控制，而彎橋的抗傾覆性能通常由特征狀態(tài)2控制。如圖2所示為橋梁的傾覆破壞過程的原理。

3.2 影響因素分析

獨(dú)柱墩梁橋的受力影響因素有很多，如橋梁的曲率半徑、邊墩和中墩類型、邊墩和中墩支承方式、跨數(shù)及跨徑組合、橋面寬與支座橫向間距比值、荷載布置等都是影響?yīng)氈樟簶蚩箖A覆能力的重要因素。其中，橋面寬與支座橫向間距比值是決定獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，比值越小，橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性就越高［2］。

4 橋梁抗傾覆驗(yàn)算方法

4.1 支座反力法

由于獨(dú)柱墩曲線梁橋的結(jié)構(gòu)特性，上部結(jié)構(gòu)存在自重產(chǎn)生的扭矩，即“彎扭耦合”作用。在偏心活載作用下，結(jié)構(gòu)彎扭耦合效應(yīng)加劇，橋梁內(nèi)側(cè)支反力減小，甚至發(fā)生脫空翹起現(xiàn)象。規(guī)范［3］指出，不允許出現(xiàn)受拉支座，即支座不能出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，否則橋梁存在傾覆風(fēng)險(xiǎn)。但僅憑支座是否脫空來判斷獨(dú)柱墩的抗傾覆性是不充分的，需要結(jié)合橋梁整體的空間計(jì)算來確定。

4.2 穩(wěn)定系數(shù)法

傾覆軸位置的選取及傾覆臨界狀態(tài)的判斷是穩(wěn)定系數(shù)法計(jì)算的核心內(nèi)容。確定最不利傾覆軸線后，計(jì)算特征狀態(tài)1和特征狀態(tài)2的傾覆力矩。特征狀態(tài)1驗(yàn)算取單倍RGki與1.4倍RQki之和為荷載基本效應(yīng)組合下的支座反力值，若該值＞0，則無傾覆風(fēng)險(xiǎn)；若≤0，則存在傾覆風(fēng)險(xiǎn)。特征狀態(tài)2驗(yàn)算采用ΣRGkili/ΣRQkili的比值，若該比值＞2.5，則無傾覆風(fēng)險(xiǎn)；若≤2.5，則存在傾覆風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 結(jié)構(gòu)傾覆軸線

汽車超載及偏載等可能使橋梁邊界條件被破壞從而引起失穩(wěn)，導(dǎo)致發(fā)生傾覆事故。對(duì)橋梁進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算時(shí)，首先要確定其傾覆軸［4］。對(duì)于直線梁橋，其傾覆軸線為同側(cè)支座連線；對(duì)于曲線梁橋，半徑小的曲線梁橋可能有多條傾覆軸線，不同的傾覆軸選取會(huì)導(dǎo)致抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)不同。在小半徑獨(dú)柱墩曲線梁橋中，最不利的傾覆軸線為中墩支座連線，本文以四跨連續(xù)梁橋?yàn)槔M(jìn)行直線梁橋和曲線梁橋傾覆軸的確定，具體如圖3、圖4所示。

5 獨(dú)柱墩梁橋加固研究

5.1 加固原則

進(jìn)行獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆加固改造時(shí)，應(yīng)注意以下原則：（1）安全第一，確保施工人員和過往車輛通行安全；（2）真實(shí)評(píng)估橋梁實(shí)際的受力特性，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析；（3）盡量避免橋梁因結(jié)構(gòu)改變而發(fā)生安全穩(wěn)定問題；（4）綜合考慮實(shí)際情況及設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，選出最佳加固方案［5］。

5.2 加固類型

獨(dú)柱墩梁橋的抗傾覆加固改造關(guān)鍵部位是其下部結(jié)構(gòu)和支座，可以采用多種加固方法，主要分為兩大類型：

（1）改變結(jié)構(gòu)體系的加固類型。通過將中墩的單支座改為墩梁固接的形式來減少橋墩墩頂位置處的自由度，提高橋墩和橋梁的穩(wěn)定性，同時(shí)還可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，但施工工期較長(zhǎng)。

（2）提高獨(dú)柱墩梁橋穩(wěn)定性能類型，其主要方式是將原來的中墩單支座模式改為雙支座或者多支座支承，利用該方法可減小橋梁的抗扭跨徑，使內(nèi)外側(cè)支座受力更加均衡，提高結(jié)構(gòu)的整體抗傾覆能力。

橋梁的抗傾覆系數(shù)隨著端支座間距的增大而增大，因此，在條件允許的情況下，可以通過增設(shè)橫向支承的方式對(duì)在役獨(dú)柱墩梁橋進(jìn)行加固，其原理是通過增大支座間距或抗拔約束來增加抗扭力矩，從而明顯提升橋梁抗傾覆能力。如對(duì)于含蓋梁的橋梁，可以直接在蓋梁上增設(shè)寬度較大的支承；對(duì)于獨(dú)柱墩無蓋梁的橋梁，可增設(shè)蓋梁、抗拔約束或單墩進(jìn)行加固。

6 工程實(shí)例加固設(shè)計(jì)及抗傾覆驗(yàn)算

6.1 工程概況

G7211南友高速公路某互通立交跨線橋，橋梁全長(zhǎng)77.12 m，與路線交角為97°，跨徑組合為（16+2×20+16）m，橋面寬度為兩側(cè)護(hù)欄+雙車道，即（0.5×2+9.5）=10.5 m。其上部結(jié)構(gòu)為采用滿堂支架現(xiàn)澆法施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋臺(tái)、樁基礎(chǔ)，雙支座。橋墩1#、3#墩為單支座獨(dú)柱墩，2#墩為雙支座獨(dú)柱墩。公路等級(jí)為高速公路（互通匝道），設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級(jí)。

6.2 方案比選

目前對(duì)在役獨(dú)柱墩梁橋抗傾覆加固改造常用的方法是增設(shè)蓋梁和增設(shè)墩柱。其中，采用增設(shè)蓋梁法加固對(duì)橋下的交通影響較小，但要求原墩柱的抗力性能高；增設(shè)墩柱法一般采用增設(shè)單墩或在獨(dú)柱墩兩側(cè)增設(shè)鋼管混凝土立柱進(jìn)行加固。本文為工程實(shí)例設(shè)計(jì)了4個(gè)加固方案（見圖5），并從加固效果、施工條件及難點(diǎn)、質(zhì)量控制及經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)方案比選，結(jié)果如表2所示。

結(jié)合工程實(shí)際情況，綜合考慮各加固方案的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和工期等，最終確定選用方案一進(jìn)行加固改造。

6.3 抗傾覆驗(yàn)算原則

《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）特征狀態(tài)1：在荷載基本效應(yīng)組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)，即支座反力始終＞0。

（2）特征狀態(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）的要求：

ΣSbk，iΣSsk，i≥Kqf（1）

式中：Kqf——橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取Kqf=2.5；

ΣSbk，i——抗傾覆作用相對(duì)扭轉(zhuǎn)軸的合力矩，即ΣSbk，i=ΣRGkili；

ΣSsk，i——傾覆作用相對(duì)扭轉(zhuǎn)軸的合力矩，即ΣSsk，i=ΣRQkili；

li——第i個(gè)脫空支座與有效支座的間距；

RGki——在永久作用下，第i個(gè)脫空支座橋墩處支座反力值；

RQki——在可變作用下，考慮汽車沖擊的荷載效應(yīng)值的第i個(gè)橋墩失效支座反力值。

6.4 有限元分析計(jì)算

采用Midas Civil有限元軟件建立橋梁有限元分析模型（見圖6），根據(jù)施工過程及施工方案劃分施工階段對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

通過Midas Civil有限元軟件分析模型計(jì)算出支座反力，利用穩(wěn)定系數(shù)法對(duì)橋梁進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果表明，采用增設(shè)蓋梁新增支座方式加固后，橋梁的抗傾覆性能滿足要求，如表3所示。

7 結(jié)語(yǔ)

本文從廣西G7211南友高速公路某互通獨(dú)柱墩匝道橋?yàn)槔?，?duì)獨(dú)柱墩梁橋進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明，支座脫空是橋梁發(fā)生傾覆前的重要特征狀態(tài)，橋面寬與支座橫向間距比值越小，橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性越高；穩(wěn)定系數(shù)法是驗(yàn)算橋梁抗傾覆性能的重要方法，計(jì)算前需確定其傾覆軸位置。對(duì)獨(dú)柱墩梁橋進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí)，需遵守相關(guān)規(guī)范原則，從施工條件、安全性及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合比選，從而選出最佳的加固方案。

參考文獻(xiàn)

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［2］陰存欣，秦大航，包琦瑋.基于抗扭失效的橋梁抗傾覆研究［C］.第六屆中國(guó)公路科技創(chuàng)新高層論壇，2013.

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［4］耿君君.連續(xù)梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性設(shè)計(jì)研究［J］.西部交通科技，2020（12）：143-145.

［5］曾燊平.獨(dú)柱墩箱梁橋抗傾覆影響因素分析及加固方法探討［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2018.

收稿日期：2022-10-16