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(gè)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(tái)采用柱式橋臺(tái)。

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(hào)墩(獨(dú)柱墩、單支點(diǎn))落于高速中間帶上，1、3號(hào)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(hào)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(tái)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(hào)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(hào)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(hào)支座為雙支座、2號(hào)為單支座。加固后0、1、2、3、4號(hào)支座均為雙支座受力體系。需要特別說明的是：2號(hào)支座橫向采用三個(gè)支座，當(dāng)整體梁向左側(cè)傾覆時(shí)，右側(cè)支座脫空，不參與受力；當(dāng)整體梁向右側(cè)傾覆時(shí)，左側(cè)支座脫空，不參與受力。故2號(hào)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(shí)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(shí)，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(dòng)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(hào)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(hào)橋墩強(qiáng)度驗(yàn)算

在2號(hào)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(dòng)力、離心力、溫度力、風(fēng)荷載等；在2號(hào)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(gè)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(shí)，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(hào)、3號(hào)橋墩抗傾覆拉桿設(shè)計(jì)

1號(hào)、3號(hào)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(hào)、3號(hào)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(shí)，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(shí)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(shí)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。抗傾覆拉桿設(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(shí)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(shí)，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(hào)橋墩新增蓋梁設(shè)計(jì)

2號(hào)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(shí)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。