王宇琪

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展對(duì)交通運(yùn)輸行業(yè)的安全發(fā)展提出了更高要求，業(yè)內(nèi)對(duì)連續(xù)梁橋抗傾覆穩(wěn)定設(shè)計(jì)及驗(yàn)算日趨重視，國(guó)內(nèi)正式頒布的《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)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《新規(guī)范》)也針對(duì)橋梁抗傾覆驗(yàn)算的計(jì)算方法進(jìn)行了較大調(diào)整[1-2]。

連續(xù)梁橋獨(dú)柱墩設(shè)計(jì)成為橋梁側(cè)翻事故中被廣泛關(guān)注和探討的焦點(diǎn)之一，在道路線形、立交凈空等各種限制因素影響下，小半徑曲線橋梁及獨(dú)柱墩設(shè)計(jì)常被采用，近些年在進(jìn)行新建橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，盡管已盡量避免采用單支點(diǎn)支撐體系，但對(duì)既有單支點(diǎn)支撐連續(xù)梁橋的抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算及加固設(shè)計(jì)也變得尤為重要。

1 橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)原理

正式頒布的《新規(guī)范》關(guān)于抗傾覆穩(wěn)定性的內(nèi)容與《征求意見(jiàn)稿》中有較大調(diào)整，《征求意見(jiàn)稿》中，取梁體最易發(fā)生傾覆的兩支點(diǎn)連線作為傾覆軸進(jìn)行計(jì)算；《新規(guī)范》采用2個(gè)特征狀態(tài)作為抗傾覆驗(yàn)算工況，特征狀態(tài)1為在作用基本組合下，單向受壓支座開(kāi)始脫離受拉；特征狀態(tài)2為箱梁的抗扭支承全部失效，結(jié)構(gòu)處于受力平衡或扭轉(zhuǎn)變形失效的極限狀態(tài)；在進(jìn)行支座脫空驗(yàn)算時(shí)，《新規(guī)范》采用作用組合由標(biāo)準(zhǔn)組合提升為作用基本組合；《征求意見(jiàn)稿》中抗傾覆計(jì)算僅考慮汽車(chē)荷載，而《新規(guī)范》中要求同時(shí)考慮汽車(chē)荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載等所有可變作用[3]。

對(duì)既有橋梁進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算須滿(mǎn)足《新規(guī)范》要求，支座不得出現(xiàn)負(fù)反力處于脫空狀態(tài)，且抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求。抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算公式如下：

其中，kqf為橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；∑Sbk,i為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；∑Ssk,i為使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值[1]。

2 橋梁抗傾覆設(shè)計(jì)示例

2.1 工程概況

某高速公路互通式立交匝道橋，梁頂板款9.60m，橋面凈寬8.50m，橋梁全長(zhǎng)為256.0m，本橋平面處于緩和曲線及半徑為200m的圓曲線內(nèi)。上部結(jié)構(gòu)采用(3×25+4×25+3×25)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁采用單箱單室斷面，梁高1.4m。下部結(jié)構(gòu)采用肋板臺(tái)樁基礎(chǔ)、柱式墩及Y墩樁基礎(chǔ)，其中第二聯(lián)4#～6#墩設(shè)置連續(xù)單支座，匝道橋單支點(diǎn)橫斷面圖及支座平面布置圖如圖1、圖2所示。

圖1 匝道橋單支點(diǎn)橫斷面圖

圖2 第二聯(lián)支座平面布置示意圖

2.2 加固措施

針對(duì)本橋抗傾覆加固設(shè)計(jì)，采取了如圖3所示加固措施。該橋4#墩～6#墩為獨(dú)柱墩，考慮其中5#墩如若采取加固措施后，侵占建筑限界，本橋處理4#、6#墩。即在4#、6#橋墩墩頂增設(shè)混凝土蓋梁，在單支座兩側(cè)設(shè)置板式橡膠支座，當(dāng)梁體承受巨大偏載有傾覆傾向時(shí)，新增支座受壓起到抗傾覆作用，提高結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定性。

圖3 獨(dú)柱墩處理示意圖

2.3 原結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算

如圖4所示，利用《橋梁博士V4.2.0》建立有限元計(jì)算模型，按照實(shí)際結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行建模，計(jì)算在自重、二期、預(yù)應(yīng)力等永久作用下各支座豎向支反力，在車(chē)道偏載作用下各支座最不利反力及每個(gè)支座產(chǎn)生最不利反力時(shí)其余各支座相應(yīng)并發(fā)反力值，計(jì)算結(jié)果如表1所示，進(jìn)行支座脫空驗(yàn)算及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示。

圖4 匝道橋橋梁博士計(jì)算模型

表1 原橋抗傾覆驗(yàn)算(豎向支反力匯總)

表2 原橋抗傾覆支反力驗(yàn)算(特征狀態(tài)1)

表3 原橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)驗(yàn)算(特征狀態(tài)2)

從上述表中可以看出，原設(shè)計(jì)該橋的支座脫空驗(yàn)算及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)驗(yàn)算均不滿(mǎn)足《新規(guī)范》要求，在車(chē)道偏載作用下，內(nèi)側(cè)支座3-2、7-2支反力為-137.6kN、-135.18kN，產(chǎn)生拉應(yīng)力，支座脫空，結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為1.40小于規(guī)范要求2.5，可見(jiàn)原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有傾覆風(fēng)險(xiǎn)，需要加固。

2.4 加固后抗傾覆驗(yàn)算

根據(jù)《新規(guī)范》，對(duì)加固后匝道橋的抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果如表4～表6所示。

從表4～表6中可以看出，采取加固措施后，支座脫空驗(yàn)算滿(mǎn)足要求，中支座橫橋向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)提高到5.86和5.91，滿(mǎn)足新規(guī)范中對(duì)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的要求。說(shuō)明本橋加固方案合理有效，提高了其抗傾覆穩(wěn)定性能，且具備一定安全儲(chǔ)備。

表4 加固后結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算(支反力匯總)

表5 加固后結(jié)構(gòu)抗傾覆支反力驗(yàn)算(特征狀態(tài)1)

表6 加固后結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)驗(yàn)算(特征狀態(tài)2)

3 橋梁抗傾覆穩(wěn)定性影響因素分析

橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆的實(shí)質(zhì)是在車(chē)道偏載作用下，梁體圍繞軸線產(chǎn)生橫向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)梁體自重作為有利荷載參與抗傾覆[4-5]。通過(guò)模型計(jì)算，分析平曲線半徑、邊支座間距以及單支座預(yù)設(shè)偏心位置對(duì)小半徑曲線梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響[6-7]。

3.1 平曲線半徑的影響

對(duì)于小半徑曲線橋梁，不同曲線半徑直接影響橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)恒載差，在汽車(chē)、溫度、風(fēng)載等活載作用下，曲線半徑對(duì)結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響。利用橋博模型，分別對(duì)邊支座間距為4.4m和4.0m的直線橋、平曲線半徑R為400m、350m、300m、250m、200m、150m、100m的主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行支座脫空驗(yàn)算及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算。抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)隨曲線半徑變化如圖5所示。

圖5 抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)隨曲線半徑變化圖

從圖5中可以看出，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨曲線半徑呈拋物線變化，當(dāng)支座間距為4.4m時(shí)，增大半徑后抗傾覆系數(shù)由0.41提高到1.94，當(dāng)邊支座間距為4.0m時(shí)，抗傾覆系數(shù)由0.22提高到1.73，曲線半徑較小時(shí)，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著曲線半徑減小快速降低。顯然對(duì)于小半徑曲線梁，半徑越小，傾覆風(fēng)險(xiǎn)越大，直線橋梁相對(duì)與小半徑曲線橋抗傾覆穩(wěn)定性更高，故在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)合理增大曲線半徑提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性能。

3.2 邊支座間距的影響

分別對(duì)半徑R為200m、300m、400m時(shí)，邊支座間距為3.6m、3.8m、4.0m、4.2m、4.4m、4.6m、4.8m、5.0m的主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行支座脫空驗(yàn)算及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算。不同半徑曲線梁支座脫空驗(yàn)算結(jié)果如表7～表9所示，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)隨邊支座間距變化圖如圖6所示。

表7 支座脫空驗(yàn)算隨邊支座間距變化表(R=200m)

表8 支座脫空驗(yàn)算隨邊支座間距變化表(R=300m)

表9 支座脫空驗(yàn)算隨邊支座間距變化表(R=400m)

圖6 抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)隨邊支座間距變化圖

從表7～表9中數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于半徑R為200m、300m、400m的曲線梁，當(dāng)邊支座間距控制在5.0m、4.2m、3.8m以上時(shí)，支座脫空驗(yàn)算即滿(mǎn)足規(guī)范要求，可見(jiàn)增大邊支座間距可以有效改善小半徑曲線梁支座脫空情況。從圖6可以看出，當(dāng)邊支座間距由3.6m增大到5.0m后，對(duì)于曲線半徑R為200m的曲線梁，抗傾覆系數(shù)由1.01提高到1.71，系數(shù)增大0.70；對(duì)于曲線半徑R為300m的曲線梁，抗傾覆系數(shù)由1.35提高到2.06，系數(shù)增大0.71；對(duì)于曲線半徑R為400m的曲線梁，抗傾覆系數(shù)由1.53提高到2.25，系數(shù)增大0.72?？箖A覆穩(wěn)定系數(shù)隨邊支座間距增大基本呈線性，增大值隨半徑增大略有提高?？梢?jiàn)在進(jìn)行小半徑曲線橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)合理增大邊支座間距來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能。

3.3 單支點(diǎn)支承偏心設(shè)置的影響

分別對(duì)半徑R為200m和400m時(shí)，單支座設(shè)置偏心位置距梁中心線距離為0(不設(shè)偏心)、0.25m、0.5m、0.75m、1.0m、1.25m、1.5m的主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行支座脫空驗(yàn)算及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)隨設(shè)置偏心位置變化圖

從圖7中可以看出，當(dāng)曲線半徑R為200m時(shí)，增大偏心設(shè)置后抗傾覆系數(shù)由0.95提高到1.40，系數(shù)增大0.45；當(dāng)曲線半徑R為300m時(shí)，增大偏心設(shè)置后抗傾覆系數(shù)由1.28提高到1.75，系數(shù)增大0.47；當(dāng)曲線半徑R為400m時(shí)，抗傾覆系數(shù)由1.45提高到1.94，系數(shù)增大0.49。抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨單支座偏心預(yù)設(shè)位置基本呈線性變化，系數(shù)增大值隨平曲線半徑增大而增大，故在進(jìn)行小半徑曲線橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)合理增大單支座預(yù)設(shè)偏心提高結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)結(jié)合某獨(dú)柱墩加固工程實(shí)例進(jìn)行建模計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于既有單支撐橋梁，可通過(guò)增設(shè)支座進(jìn)行加固，支座脫空及抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)驗(yàn)算均可滿(mǎn)足《新規(guī)范》要求。

(2)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨平曲線半徑呈拋物線變化，曲線半徑較小時(shí)，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨曲線半徑減小快速降低。在進(jìn)行小半徑曲線橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)合理增大曲線半徑提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性能。

(3)調(diào)整邊支座間距可以改善支座脫空，結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨邊支座間距增大基本呈線性增大，增大值隨平曲線半徑增大略有提高。

(4)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨單支座預(yù)設(shè)偏心增大而線性提高，且提高值隨平曲線半徑增大而增大，可通過(guò)合理增大單支座預(yù)設(shè)偏心提高結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性。