陳偉勝

（湖南輝達(dá)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

0 引言

隨著我國(guó)城市化快速發(fā)展，城市的人口和物資等各類資源都高度集中，城市的建設(shè)也不斷擴(kuò)大，為了滿足人們的出行需求以及貨物運(yùn)輸需求，需要建設(shè)更多的交通基礎(chǔ)設(shè)施，這其中城市橋梁的建設(shè)需求量也在不斷增加。城市橋梁可以顯著地緩解路面交通通行效率，提高節(jié)點(diǎn)區(qū)域的通行安全，但這與橋梁的安全運(yùn)營(yíng)密切相關(guān)。

在交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)下，超載重載運(yùn)輸問(wèn)題仍然是我國(guó)目前的社會(huì)現(xiàn)狀，而超載重載問(wèn)題引起的橋梁損害和垮塌問(wèn)題也是逐年出現(xiàn)，這造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。例如2016年上海某高架橋就在一輛違規(guī)行駛的超載車作用下出現(xiàn)壓坍現(xiàn)象，事故雖然沒(méi)有引起橋梁的垮塌破壞，但是導(dǎo)致后續(xù)幾天整個(gè)高架路大面積交通擁堵[1-2]。因此對(duì)城市橋梁應(yīng)該考慮超載車作用下的橋梁橫向穩(wěn)定問(wèn)題，設(shè)計(jì)抗傾覆措施，并對(duì)已有橋梁進(jìn)行抗傾覆加固施工，確保橋梁在各種荷載作用下都具有很好的安全儲(chǔ)備，保障橋梁的運(yùn)營(yíng)安全性。

本文首先分析橋梁的抗傾覆設(shè)計(jì)原理和方法，明確傾覆機(jī)理和設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)措施。其次針對(duì)已有橋梁不能滿足抗傾覆要求的，提出加固方法和詳細(xì)的施工措施，保障其安全性。

1 梁橋的傾覆機(jī)理與抗傾覆設(shè)計(jì)

為了進(jìn)行城市梁橋的抗傾覆設(shè)計(jì)，首先需要明確梁橋的傾覆機(jī)理和過(guò)程，才能采取相應(yīng)的抗傾覆設(shè)計(jì)措施，確保橋梁橫向的穩(wěn)定性。

1.1 梁橋的傾覆機(jī)理分析

梁橋結(jié)構(gòu)的橫向轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題是剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程，發(fā)生梁橋的橫向傾覆失效包括外因和內(nèi)因兩個(gè)層面，其中內(nèi)因是主導(dǎo)因素，而外因是誘發(fā)因素。

在內(nèi)因方面，設(shè)計(jì)構(gòu)造不合理使得梁橋在極端荷載情況下橫向是可以轉(zhuǎn)動(dòng)的體系，如圖1所示。由于梁橋的設(shè)計(jì)主要滿足豎向平面內(nèi)的抗彎和抗剪性能，對(duì)于橫向的穩(wěn)定問(wèn)題往往忽略。因此梁橋的支撐體系主要滿足豎向平面內(nèi)需求，對(duì)于橫向的支撐設(shè)計(jì)較少。當(dāng)在采用獨(dú)柱墩設(shè)計(jì)且橋面寬度較大的情況下，梁橋橫向穩(wěn)定的傾覆軸就是最外側(cè)支座連線。這種情況下如果是直線橋則最外側(cè)支座布置的位置直接影響傾覆穩(wěn)定性；如果是曲線橋梁則因?yàn)閺澟ゑ詈闲?yīng)內(nèi)側(cè)支座很容易脫空導(dǎo)致梁橋向外傾覆概率增大。因此端支座的布置位置以及中間是否采用獨(dú)柱墩是影響梁橋傾覆的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

圖1 梁橋的橫向傾覆示意圖

在外因方面，引發(fā)梁橋橫向傾覆的主要荷載是車輛活載，如果出現(xiàn)行駛的車輛集中作用在最外側(cè)車道的情況下，則傾覆垮塌的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。從目前多座橋梁傾覆倒塌的事件來(lái)看，超載重載車輛同時(shí)靠近外側(cè)車道行駛是誘發(fā)橋梁垮塌的核心要素。

根據(jù)傾覆機(jī)理的分析，傾覆失效過(guò)程可以通過(guò)下式進(jìn)行描述：

式中：K是傾覆系數(shù)；M1是抵抗彎矩；M2是傾覆彎矩。

傾覆安全性就是抵抗彎矩和傾覆彎矩之間的博弈，傾覆彎矩就是路面車輛荷載作用下引起梁橋向傾覆側(cè)翻轉(zhuǎn)的彎矩和，抵抗彎矩就是梁體自重作用下對(duì)傾覆軸的穩(wěn)定力矩。上述傾覆判斷建立在極限傾覆狀態(tài)，從正常狀態(tài)到極限狀態(tài)涉及支座反力重分配和梁體變形等二次效應(yīng)，但是橋梁的傾覆轉(zhuǎn)動(dòng)失效仍然是剛體行為?？紤]到二次效應(yīng)和安全儲(chǔ)備，傾覆系數(shù)應(yīng)該滿足K≥2。

1.2 梁橋的傾覆設(shè)計(jì)措施

梁橋的傾覆失效是由超載重載車輛的作用產(chǎn)生的，然而車輛的超載問(wèn)題在我國(guó)目前社會(huì)現(xiàn)狀下難以通過(guò)管理手段規(guī)避，因此需要從橋梁結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化[3]，使得梁橋的抗傾覆能力提高。

首先應(yīng)該研究車輛荷載引起的傾覆荷載效應(yīng)。根據(jù)建設(shè)橋梁的具體區(qū)域的運(yùn)營(yíng)車輛荷載特點(diǎn)，根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)圖紙建立模型進(jìn)行驗(yàn)算分析，形成適用于該橋梁的車輛荷載模型，作為橋梁設(shè)計(jì)合理性的驗(yàn)算基礎(chǔ)。其次根據(jù)路線規(guī)劃需求設(shè)計(jì)橋梁的基本形式。由于城市環(huán)境的路線往往是平面曲線和縱向曲線較多，這種情況下應(yīng)盡量避免在直線梁橋或者接近直線的曲線梁橋設(shè)置獨(dú)柱墩，因此這類橋梁若采用獨(dú)柱墩則傾覆失效的風(fēng)險(xiǎn)非常大。再則根據(jù)設(shè)計(jì)的橋梁基本布置形式對(duì)橋梁進(jìn)行構(gòu)造優(yōu)化，特別是為了減少地面用地空間采用的曲線梁橋獨(dú)柱墩形式，應(yīng)對(duì)獨(dú)柱墩處的支座設(shè)置一定的偏心或者直接設(shè)計(jì)為雙支座，還可以將獨(dú)柱墩與橋梁進(jìn)行固結(jié)處理。最后對(duì)于獨(dú)柱墩梁橋需要設(shè)計(jì)一定的抗拔支座或者鋼筋，目的是使得極端荷載作用下降低支座出現(xiàn)負(fù)反力的風(fēng)險(xiǎn)，在運(yùn)營(yíng)中也可以設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)分析支座的反力狀態(tài)。

2 橋抗傾覆加固施工技術(shù)分析

目前隨著國(guó)內(nèi)多座梁橋傾覆事故的發(fā)生，梁橋的橫向穩(wěn)定問(wèn)題得到了設(shè)計(jì)者的關(guān)注，因此不合理的結(jié)構(gòu)形式在一定程度上得到了避免。但是目前運(yùn)營(yíng)的諸多橋梁存在很大的橫向傾覆隱患，因此需要對(duì)這些橋梁進(jìn)行必要的加固設(shè)計(jì)，總結(jié)施工方法與技術(shù)，提高運(yùn)營(yíng)橋梁的使用壽命和安全問(wèn)題。針對(duì)已建橋梁的橫向傾覆風(fēng)險(xiǎn)，有以下幾種加固措施可供選擇[4-6]，各加固措施的施工技術(shù)和方法總結(jié)如下。

2.1 設(shè)置抗拉支撐結(jié)構(gòu)

支座脫空是橋梁傾覆的第一環(huán)節(jié)，為了避免橋梁的傾覆失穩(wěn)問(wèn)題，就需要減少支座脫空的問(wèn)題。可以在已建橋梁的支座位置設(shè)置抗拔和抗扭支座，約束梁體在車輛荷載偏載作用下的扭轉(zhuǎn)，避免因?yàn)橹ё霈F(xiàn)脫空導(dǎo)致梁體的支撐體系發(fā)生變化引起二次效應(yīng)顯著增加（見(jiàn)圖2）。

圖2 主梁設(shè)計(jì)抗拔支座的方案圖

抗拉支撐的施工可以分別在墩柱和梁體上進(jìn)行，基本不影響梁體本身的運(yùn)營(yíng)使用，在墩柱和梁體上下分別引伸出來(lái)的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，因此可以防止支座脫空問(wèn)題?？估谓Y(jié)構(gòu)幾乎不影響路面交通，施工簡(jiǎn)單方便且構(gòu)造明確，但是受限于抗拉支座的錨固連接，抗拉支座的強(qiáng)度受到一定程度的限制，因此主要用于可能支座反力較小的情況。

2.2 單支座改為雙支撐

獨(dú)柱墩單支座體系使得傾覆軸內(nèi)的車輛荷載作用面積太大，極大地增加了梁橋傾覆失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，因此將單支座改造為雙支撐也是一種優(yōu)選方法，可以提高主梁的抗扭能力避免橫向傾覆（見(jiàn)圖 3）。

圖3 單支座改為雙支座的方案圖

單支座改造為雙支撐體系，需要蓋梁位置具有設(shè)置雙支撐的空間。如果原來(lái)的獨(dú)柱墩蓋梁尺寸較大可以直接設(shè)置雙支座，可以通過(guò)頂升方法將梁體頂升起來(lái)，并切掉原有支座同時(shí)設(shè)置新的支座；如果原來(lái)的獨(dú)柱墩蓋梁空間較小而不能設(shè)置雙支座，需要對(duì)原來(lái)的蓋梁進(jìn)行橫向加固，通過(guò)增大面積方法進(jìn)行蓋梁加固。單支座改雙支撐方法可以明顯提高主梁的抗扭能力，但是需要驗(yàn)算橫隔梁的安全性，因此往往也需要對(duì)橫隔梁進(jìn)行加固改造，且施工過(guò)程涉及植筋、澆筑混凝土、橫梁加固等問(wèn)題，需要干擾路面交通，整體施工工序較為煩瑣。

2.3 提高端橫梁支座間距

根據(jù)梁橋的橫向傾覆機(jī)理，傾覆軸往往由端橫梁最外側(cè)支座連線組成，因此端橫梁支座位置就決定了傾覆區(qū)域車輛所能布置的橋面空間。如果端橫梁支座靠近外側(cè)布置，則橋面范圍內(nèi)的傾覆區(qū)域的車輛布置空間有限，橋梁的安全性能夠得到大幅度提高。

在端橫梁位置增加支座間距，可以根據(jù)目前蓋梁的尺寸設(shè)置最大的支座間距布置方案，并以此對(duì)原來(lái)的端橫梁進(jìn)行橫向增大截面來(lái)加固。該方法對(duì)于寬幅箱梁橋的加固效果較好，可以非常顯著地提高梁體的抗扭性能，且相對(duì)于其他方案的加固量極少，只需要對(duì)端橫梁位置進(jìn)行加固。存在的缺點(diǎn)是主梁端橫梁需要接長(zhǎng)，收到預(yù)應(yīng)力的影響可能植筋難度較大，而且支點(diǎn)處的橫梁需要按照規(guī)范要求進(jìn)行加固驗(yàn)算。

3 結(jié)語(yǔ)

城市化大力發(fā)展的背景下，需要增加交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以滿足人們的生產(chǎn)和生活需求，這其中橋梁結(jié)構(gòu)的安全問(wèn)題尤其需要被關(guān)注。近年來(lái)已經(jīng)發(fā)生了多起橋梁傾覆事故，產(chǎn)生了惡劣的社會(huì)影響，因此需要加強(qiáng)對(duì)城市橋梁的抗傾覆設(shè)計(jì)與研究。本文詳細(xì)分析了城市橋梁的傾覆失效機(jī)理和抗傾覆設(shè)計(jì)方法，針對(duì)新建橋梁提出了抗傾覆設(shè)計(jì)原則和構(gòu)造措施，對(duì)于已建橋梁給出了傾覆加固方法和施工技術(shù)。增強(qiáng)城市橋梁的運(yùn)營(yíng)安全性，為城市正常運(yùn)作提供保障。