潘　迪，李慶擇，冀　健

（1.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市 100082；2.中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京市 100088）

0　引言

近年來大量市政和公路橋梁都采用了獨柱墩接主梁的結構形式，因其具有輕巧、纖細、美觀的建筑效果。但是由于獨柱橋的下部支撐點只集中于主梁下的某一局部位置，因此容易引起上部結構整體傾覆的問題，全國各地已發(fā)生多起此類橋梁的側傾、側滑、傾覆事故。因此對這一問題進行研究，具有重要意義。

本文通過篩選橋梁結構形式、跨徑組合、設計年代、設計荷載標準、平曲線半徑、邊墩類型、邊墩支座類型及支座間距、中墩支座類型、橋面寬與邊支座間距比、車行道寬、箱室底寬等能體現(xiàn)橋梁傾覆穩(wěn)定性的重要結構參數(shù)，在哈爾濱某立交橋中確定抗傾覆分析對象后，根據(jù)北京市市政工程設計研究總院有限公司2009年的工作成果，定義兩種臨界傾覆狀態(tài)進行抗傾覆穩(wěn)定性分析。通過施加最不利橫向活荷載，分析橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性，并提出采用抗拉設施的加固處理方案，使獨柱橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性能得到有效加強。

1　工程概況

1.1　哈爾濱某立交介紹

立交由A#、B#、C#和D#橋四部分組成。A#與B#橋為立交的第三層，C#與D#橋為立交的第二層。A#橋A0～A9墩為兩聯(lián)簡支空心板梁結構，A9～A12墩為異形連續(xù)箱梁，A12～A16墩、A16～A20墩為兩聯(lián)變寬度連續(xù)箱梁，A20～A26墩為簡支空心板梁結構；B#橋A12～B2墩為連續(xù)箱梁，B2～B13墩為兩聯(lián)簡支空心板梁結構；C#橋C0～A12墩為異形連續(xù)箱梁，A12～C7墩為連續(xù)箱梁結構；D#橋D0～D3墩為連續(xù)箱梁，D3～D7墩為簡支空心板梁結構。橋梁連續(xù)箱梁下部結構為獨柱或雙柱，下接承臺樁基結構。在公用墩D0及A16墩為隱蓋梁接墩柱再接承臺樁基。A12墩為雙層蓋梁結構，上層蓋梁架起A#、B#橋，下層蓋梁架起C#橋，蓋梁下接墩柱承臺樁基；空心板梁下部結構為倒T形蓋梁，除A20～A25墩蓋梁下為雙柱-柱下接樁基，橫向用系梁連接外，其余隱蓋梁下均為獨柱或雙柱，柱下接承臺樁基結構。A0、B13、D7邊墩為重力式橋臺擴大基礎，A26、C0、C7邊墩為重力式橋臺樁基結構?？偲矫媸疽鈭D如圖1所示。

對比橋梁結構形式、跨徑組合、設計年代、設計荷載標準、平曲線半徑、邊墩類型、邊墩支座類型及支座間距、中墩支座類型、橋面寬與邊支座間距比、車行道寬、箱室底寬等參數(shù)，總結結構整體特點，并考察各橋抗傾覆能力，見表1?？傮w來看，從經(jīng)驗分析，中墩固結比中墩鉸接抗傾覆能力大，橋面寬與邊支座間距比小的抗傾覆能力大。故需要重點復查超載抗傾覆能力的獨柱鉸接支承結構有五聯(lián)橋。

本文重點介紹A12～B2、A12～C7兩聯(lián)橋，橋梁的平面圖如圖2和圖3所示。

圖1　哈爾濱某立交總平面示意圖（單位：cm）

表1　結構特點總結

圖2　A12～B2墩平面圖（單位：cm）

圖3　A12～C7墩平面圖（單位：cm）

2　橋梁傾覆的臨界狀態(tài)

北京市政院的研究成果對橋梁傾覆的臨界狀態(tài)定義如下。

2.1　中墩全部采用支座的獨柱支承梁式橋

中墩鉸接獨柱支承梁式橋的傾覆破壞均首先表現(xiàn)為邊墩支座脫空，然后出現(xiàn)中墩支座轉角超限，最終發(fā)生結構整體傾覆。雖然中墩支座轉角超限后，結構并沒有整體傾覆，但結構狀態(tài)已很難把握，計算模擬困難，因此為保證結構安全、便于實際操作，將結構傾覆過程中結構體系發(fā)生變化的兩個確定狀態(tài)，即邊墩支座出現(xiàn)脫空和中墩支座轉角達到0.03 rad作為中墩鉸接獨柱支承梁式橋的傾覆臨界狀態(tài)，其中邊墩支座出現(xiàn)脫空為第一傾覆臨界狀態(tài)，中墩支座轉角達到0.03 rad為第二傾覆臨界狀態(tài)。

2.2　有固結墩柱的獨柱支承梁式橋

對于采用中墩固結的獨柱支承的梁式橋，在偏心荷載作用下，隨著主梁扭轉效應的增加，墩柱及基礎所受橫向彎矩及水平剪力逐漸增大，當其內(nèi)力超出其承載力時，墩柱或基礎發(fā)生破壞，從而導致主梁傾覆。因此將固結墩承載力達到限值時作為此類橋梁傾覆臨界狀態(tài)。

獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)可按如下方法計算：

式中：k為結構抗傾覆安全系數(shù)；Sp為傾覆最不利荷載工況的規(guī)范汽車荷載（對于中墩為支座形式，中支點支座轉角達到0.03rad；對于中墩為固結形式，中墩達到正常使用極限狀態(tài)時），荷載系數(shù)按《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2004）第4.1.6條選??；Sq為考慮初始傾覆效應后，實際值K倍的Sp。

當驗算一種或幾種偏心荷載作用下結構的穩(wěn)定性時，對結構初始狀態(tài)的把握至關重要，初始狀態(tài)出現(xiàn)偏差將直接導致得出錯誤的驗算結論，給結構安全帶來隱患。獨柱支承梁式橋的傾覆穩(wěn)定為空間受力行為，尤其對于曲線梁橋，自重、二期恒載、混凝土收縮、徐變、預應力荷載及溫度效應所產(chǎn)生的扭矩和扭轉變形對結構傾覆穩(wěn)定性影響較大，必須準確計入。

圖4　A12～B2墩橋梁立面圖（單位：cm）

3　A12～B2墩現(xiàn)澆連續(xù)箱梁（直線橋）抗傾覆復核驗算

3.1　結構簡介

如圖4所示，A12～B2聯(lián)為直橋，跨徑為（29+35+25）m，主梁寬度 9.4 m，梁高 1.6 m，采用C50混凝土現(xiàn)澆。邊墩為板式橡膠支座，左右墩支座間距分別為3 m和3.4 m。中墩為雙向固定盆式支座?？箖A覆計算時按扭轉最不利在橋梁的一側進行偏載布載，考察邊墩支座反力和中墩轉角變形。車道偏心2.85 m,該橋最多布置一個車道。A12～B2墩主梁結構計算模型如圖5所示。

圖5　A12～B2墩主梁結構計算模型

3.2　計算結果及結論

由于該橋中墩與主梁間為固定支座連接，屬于無固結墩柱的獨柱支承梁式橋，因此應驗算達到其對應傾覆臨界狀態(tài)（邊支座脫空時）時的傾覆穩(wěn)定性，并相應給出次中墩處支座轉角計算結果。

經(jīng)過驗算，當行車荷載為1倍規(guī)范標準荷載時，橋梁整體結構傾覆驗算滿足相關規(guī)范要求；當行車荷載為規(guī)范標準荷載的1.2倍時，橋梁邊墩支座處于脫空臨界狀態(tài)。所以該橋的抗傾覆安全儲備值為1.2倍車道荷載，如圖6所示。

根據(jù)計算結果得知，在活荷載達到1.5倍標準規(guī)范荷載時，邊墩支座的最大拉力為199kN，根據(jù)該值對橋梁邊墩采取抗傾覆措施，以滿足結構邊墩支座的抗拉需求，如圖7所示。

圖6　恒載+1.2倍活載時的反力(開始脫空)（單位：kN）

圖7　恒載+1.5倍活載，邊墩要抵抗負反力-199 kN（單位：kN）

4　A12～C7墩現(xiàn)澆箱梁（曲線橋）抗傾覆復核驗算

4.1　結構簡介

如圖8所示，A12～C7聯(lián)為5跨預應力混凝土連續(xù)彎箱梁，跨徑（4×35+30）m，主梁均寬 15.21 m，梁高1.6 m，采用C50混凝土現(xiàn)澆。主梁彎曲半徑172 m，中墩采用固定盆式橡膠支座，邊墩為F4滑板支座，A12墩 4塊，間距3×3.34 m，C7墩設置3塊，間距（3.69+3.71）m?？箖A覆計算時按扭轉最不利在橋梁的一側進行偏載布載，考察邊墩支座反力和中墩轉角變形。汽車活載偏心4.16 m,該橋可布置兩條車道。A12～C7墩主梁結構計算模型如圖9所示。

圖8　A12～C7墩橋梁立面圖（單位：cm）

圖9　A12～C7墩主梁結構計算模型

4.2　計算結果及結論

該彎橋的抗傾覆能力較弱，恒載反力為591 kN，溫度荷載負反力為-104 kN,規(guī)范汽車活載下的反力為-1 300 kN。加載到0.37倍的汽車荷載下即發(fā)生第一次脫空（見圖10），加載到1.15倍的汽車荷載下即發(fā)生第二次脫空。加載到2.1倍規(guī)范汽車荷載時，中墩最大轉角達到0.03 rad，即抗傾覆系數(shù)為2.1；加載到2.5倍規(guī)范汽車荷載時，中墩最大轉角達到0.049 rad。汽車活載加到規(guī)范荷載的1.5倍時需要克服的邊支座負反力為-1 464 kN，如圖11所示。汽車活載加到規(guī)范荷載的2.5倍時需要克服的邊支座負反力為-2 766 kN，如圖12所示。

圖10　恒載+0.37倍汽車活載+降溫時邊支座臨近脫空（單位：kN）

圖11　恒載+1.5倍汽車活載+降溫，邊墩要抵抗最大反力-1 464 kN（單位：kN）

圖12　恒載+2.5倍汽車活載+降溫，邊墩要抵抗最大負反力-2 766 kN（單位：kN）

5　結語

總結二聯(lián)橋梁的抗傾覆系數(shù)，直橋取第一次脫空的活載系數(shù)，彎橋取第一次和第二次脫空的活載系數(shù)。直橋按1.5倍活載最不利布置查看最大支座負反力，彎橋按2.5倍活載最不利布置查看最大支座負反力，以此作為加固的參數(shù)，見表2。

表2　需加固二聯(lián)橋計算結果匯總

抗拉設施采用支座抗震設施（縱向活動式），按每個橋梁抗拉設施設計拉力900 kN考慮。

對抗傾覆能力不足的彎橋A12～C7邊墩內(nèi)外側各加 4套（900 kN×3=2 700 kN＜2 766 kN），中墩內(nèi)外側各加2套；抗傾覆能力不足的直橋A12～B2（抗傾覆系數(shù)1.2）邊墩各加一套，中墩不加。施加抗震設施后，橋梁的運營情況良好，橋梁抗傾覆能力顯著提高。根據(jù)對該立交的后期交通觀察，并沒有發(fā)生傾覆滑移的問題，認為這種計算和加固的方法是可行和有效的，具有較好的工程指導意義。