柴加兵

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110116)

2018年，新的《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)頒布，在新規(guī)范4.1.8條中，明確給出了橋梁抗傾覆[1]計(jì)算內(nèi)容的規(guī)定以及計(jì)算方法。但是近幾十年來，我國修建了大量的獨(dú)柱墩[2]橋梁，特別是在互通區(qū)橋梁中，給交通行車帶來了極大的安全隱患。對獨(dú)柱墩[2]橋梁進(jìn)行抗傾覆分析及加固處理是擺在我們交通人面前不可繞開的一個課題。結(jié)合工程實(shí)例，對橋梁抗傾覆分析與加固進(jìn)行深入研究，希望能為以后獨(dú)柱墩處理提供借鑒。

1 工程概況

梅黃高速英達(dá)立交CK0+273.896匝道橋，橋梁全寬8.25m，橋梁總長77.50m。此橋位于半徑230m、左偏圓曲線上，橋梁分跨線均為徑向線。橋梁孔徑布置為(16+20+20+16)m，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)π型梁，梁高(梁高均指箱梁外側(cè)腹板外緣處梁高)1.1m。下部結(jié)構(gòu)均采用柱式橋墩(2#墩高為：9.468m)，鉆孔樁基礎(chǔ)；橋臺采用柱式橋臺。

近期橋梁檢查結(jié)論：橋梁長度、跨徑、橋面寬度、主要構(gòu)件截面尺寸，測量結(jié)果與原設(shè)計(jì)基本一致。依據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21-2011)，上行橋結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定等級為2類。

本匝道橋跨越高速，其中2號墩(獨(dú)柱墩、單支點(diǎn))落于高速中間帶上，1、3號墩(薄壁墩、雙支點(diǎn))落于高速土路肩兩側(cè)。采用現(xiàn)行公路-Ⅰ荷載對本橋進(jìn)行加載驗(yàn)算，抗傾覆系數(shù)為2.20，小于規(guī)范規(guī)定值2.50，且1、3號橋墩內(nèi)側(cè)支座脫空，需要加固處理。橋梁斷面布置圖見圖1。

圖1 橋梁斷面布置圖

2 加固方案設(shè)計(jì)

根據(jù)《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》應(yīng)用指南(JTG 3362-2018)規(guī)定，解決橋梁抗傾覆一般有三種方式。

(1)將單支點(diǎn)改為墩梁固接，此方法的特點(diǎn)是改變結(jié)構(gòu)受力體系，改變結(jié)構(gòu)破壞模式，僅適用于高墩。

(2)將獨(dú)柱墩單支點(diǎn)受力轉(zhuǎn)換為雙支點(diǎn)或者三支點(diǎn)受力，此方法的特點(diǎn)是不顯著改變橋梁結(jié)構(gòu)受力體系，提高抗傾覆性能，但是壓縮了橋下空間。

(3)設(shè)置冗余約束，提供冗余約束，但是不提高抗傾覆性能。

在《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》應(yīng)用指南(JTG 3362-2018)中明確指出：

(1)加固改造方案應(yīng)以“安全、經(jīng)濟(jì)、美觀”為原則，考慮橋梁的功能性要求、施工可實(shí)施性、檢測養(yǎng)護(hù)要求和景觀要求，進(jìn)行多方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后確定。

(2)加固改造方案應(yīng)盡量保證原結(jié)構(gòu)支撐體系不變：采用原有獨(dú)柱單支座橋墩改造，如獨(dú)柱單支座體系改為橫向多支座體系(多柱式或獨(dú)柱多支座結(jié)構(gòu))，或采用原有過渡墩或橋臺及相應(yīng)構(gòu)造改造等措施。

(3)改造加固設(shè)計(jì)和施工，應(yīng)避免由于結(jié)構(gòu)改變造成新生問題，應(yīng)制定專門的施工組織方案，加強(qiáng)橋梁施工質(zhì)量安全管理。

根據(jù)設(shè)計(jì)指南指導(dǎo)思想及本橋所處位置空間情況，本橋提出如下改造措施：將2號墩(獨(dú)柱墩)墩頂增加鋼蓋梁，在原支座左右側(cè)新增支座，新增支座在活載情況下參與受力，原恒載作用下新增支座不參與受力，提高橋梁活載情況下抗傾覆系數(shù)；另在1、3號橋墩兩側(cè)與梁體之間增加抗傾覆拉桿(多于冗余約束)，以增加橋梁抗傾覆安全系數(shù)。

3 加固結(jié)構(gòu)抗傾覆計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 抗傾覆分析

加固方案確定后，應(yīng)對新結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗傾覆分析與結(jié)構(gòu)計(jì)算。加固前0、1、3、4號支座為雙支座、2號為單支座。加固后0、1、2、3、4號支座均為雙支座受力體系。需要特別說明的是：2號支座橫向采用三個支座，當(dāng)整體梁向左側(cè)傾覆時，右側(cè)支座脫空，不參與受力；當(dāng)整體梁向右側(cè)傾覆時，左側(cè)支座脫空，不參與受力。故2號支座按照雙支座體系進(jìn)行受力分析。

依據(jù)《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，持久狀況下，橋梁結(jié)構(gòu)不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變，并應(yīng)同時滿足下列規(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)按作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合時，整體式截面簡支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)應(yīng)符合規(guī)范式(1)的要求：

(1)

抗傾覆計(jì)算荷載按照如下要求取值：

(1)永久作用：結(jié)構(gòu)重力、預(yù)加力、混凝土收縮徐變作用，不考慮基礎(chǔ)變位作用。

(2)可變作用：僅考慮公路-I級的汽車荷載，不考慮非線性溫差等其他可變作用。

計(jì)算程序采用空間有限元分析程序橋博4.2程序計(jì)算。

箱梁自重采用程序自動計(jì)入，橋面鋪裝荷載及防撞墻荷載按照如下取值，二期恒載：橋面鋪裝27.0kN/m；護(hù)欄16.53kN/m(雙側(cè))。

公路汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)取值，荷載等級為公路-I級，活載按單向2車道計(jì)算，活載各項(xiàng)系數(shù)見表1。

表1 公路活載系數(shù)表

計(jì)算結(jié)果整理如表2所示。

表2 抗傾覆性能評估(左傾覆)

由上述計(jì)算結(jié)果知道，2號墩增加支座后，左側(cè)抗傾覆系數(shù)調(diào)整為3.54,大于規(guī)范抗傾覆系數(shù)2.50,滿足規(guī)范要求。另右側(cè)抗傾覆系數(shù)為3.80，滿足規(guī)范要求。

3.2 2號橋墩強(qiáng)度驗(yàn)算

在2號橋墩增設(shè)蓋梁之前，橋墩所受豎向荷載為：上部梁及二期恒載產(chǎn)生的豎向荷載、汽車荷載以及沖擊力、不均勻沉降荷載等；水平荷載為：汽車制動力、離心力、溫度力、風(fēng)荷載等；在2號橋墩增設(shè)蓋梁之后，橋墩上述荷載變化不大，但是由于汽車活載在橫向支座上產(chǎn)生較大的偏心，橋墩產(chǎn)生了很大的橫向彎矩，橋墩整個受力體系發(fā)生了較大變化，導(dǎo)致橋墩橫向受力更加不利，對橋墩重新進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算是必要的。另由于本橋原設(shè)計(jì)荷載為與現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)荷載之間也存在較大的差異，現(xiàn)行規(guī)范荷載遠(yuǎn)大于原設(shè)計(jì)規(guī)范荷載。采用現(xiàn)行規(guī)范重新對結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算也是必要的。橋墩所受荷載如表3所示。

表3 橋墩荷載表

計(jì)算程序采用空間有限元分析程序橋博4.2程序計(jì)算。另橋墩在進(jìn)行計(jì)算時，應(yīng)按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)要求采用新的計(jì)算長度進(jìn)行取值。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 橋墩計(jì)算結(jié)果

橋墩計(jì)算滿足規(guī)范要求。

3.3 1號、3號橋墩抗傾覆拉桿設(shè)計(jì)

1號、3號橋墩支座在恒載與活載組合作用下，不存在脫空狀況，但是在僅活載情況下內(nèi)側(cè)支座存在脫空，根據(jù)計(jì)算知道，脫空反力為205.7kN。以此荷載對1號、3號橋墩進(jìn)行抗傾覆拉桿設(shè)計(jì)，以增加橋梁抗傾覆安全系數(shù)。

抗傾覆拉桿設(shè)計(jì)時，應(yīng)按照《混凝土加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50367-2013)及《混凝土后錨固技術(shù)規(guī)程》(JTG 145-2013)中相關(guān)要求對植入錨栓進(jìn)行抗剪計(jì)算、錨固有效長度、植入深度、錨栓間距、錨栓距離邊緣距離等進(jìn)行計(jì)算，同時也應(yīng)對錨栓混凝土楔形破壞情況進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)保證混凝土不發(fā)生楔形破壞。同時也應(yīng)對拉桿連接部件傳力銷進(jìn)行抗剪抗彎計(jì)算，應(yīng)滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)規(guī)范要求?？箖A覆拉桿設(shè)計(jì)大樣圖如圖2所示。

圖2 抗傾覆拉桿設(shè)計(jì)圖

抗傾覆拉桿設(shè)計(jì)時應(yīng)保證拉桿豎向有效傳力及縱向不影響橋梁自由變形。拉桿縱橋向孔隙應(yīng)按照伸縮縫的計(jì)算方式進(jìn)行考慮，并不小于伸縮縫設(shè)置值。

錨栓錨孔位置確定時，應(yīng)確保錨孔位置距離原箱梁梁體預(yù)應(yīng)力管道凈距不小于10cm，以免打傷或打斷原預(yù)應(yīng)力鋼束，產(chǎn)生新的安全隱患。

3.4 2號橋墩新增蓋梁設(shè)計(jì)

2號橋墩新增蓋梁為普通鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按照《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T-J22-2008)及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。但是應(yīng)保證新增蓋梁尺寸的大小不侵入公路界限，以免影響行車安全。

4 結(jié)論

過去幾十年，由于獨(dú)柱墩梁橋所具有的優(yōu)勢：經(jīng)濟(jì)、造型獨(dú)特、美觀，占用空間較小等特點(diǎn)，在我國公路建設(shè)和市政道路建設(shè)中廣泛使用，特別是在互通區(qū)匝道橋中，使用更加常見。但隨著科技發(fā)展、軟件技術(shù)的進(jìn)步、工程技術(shù)人員對橋梁結(jié)構(gòu)體系的認(rèn)識以及獨(dú)柱墩橋梁實(shí)際使用狀況，獨(dú)柱墩橋梁所包含的安全隱患，急需解決。上述分析與計(jì)算希望能為獨(dú)柱墩處理提供較好的參考。