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        中間墩設(shè)置單支座的曲線橋梁抗傾覆性能分析及加固方案探討

        2021-11-27 02:18:08
        北方交通 2021年11期
        關(guān)鍵詞:箱梁橋梁體系

        陳 宇

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

        2018年,《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[1](JTG 3362—2018)正式頒布,規(guī)范中明確了橋梁抗傾覆穩(wěn)定的計算方法。結(jié)合新規(guī)范對橋梁抗傾覆穩(wěn)定計算的規(guī)定,對中間墩設(shè)置單支座的曲線匝道橋梁抗傾覆性能進(jìn)行分析,并進(jìn)一步對加固方案進(jìn)行探討。

        1 工程概況

        鞍山沈大高速騰鰲互通立交B匝道橋,橋梁寬8.5m,橋梁全長59.08m。橋梁位于半徑R=120m的圓曲線及緩和曲線上,橋梁分跨線沿徑向。橋梁孔徑布置為(15+24+15)m,上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,箱梁采用單箱單室斷面,梁高為1.4m。下部結(jié)構(gòu)采用圓柱式橋墩,墩高分別為5.20m和5.70m,橋臺采用肋板式橋臺,橋墩、橋臺均鉆孔灌注樁基礎(chǔ),橋梁平立面布置見圖1、圖2。支座布置為中間獨柱墩頂設(shè)置單支座支承,中墩支座向曲線外側(cè)沿徑向設(shè)偏心10cm;梁端橋臺上沿徑向設(shè)置雙支座,支座橫向間距3.4m,橋臺處和中墩處的橋梁橫斷面布置見圖3、圖4。

        圖1 橋梁平面布置圖

        圖2 橋梁立面布置圖

        圖3 橋臺處橋梁橫斷面布置圖 圖4 中墩處橋梁橫斷面布置圖

        經(jīng)現(xiàn)場檢測,橋梁長度、跨徑、橋面寬度、主要構(gòu)件截面尺寸與原設(shè)計基本一致。依據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》[2](JTG/T H21—2011),橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定等級為2類。

        2 橋梁抗傾覆性能分析

        結(jié)合以往橋梁發(fā)生傾覆垮塌的案例,橋梁的傾覆垮塌過程表現(xiàn)為,單向受壓支座依次脫離受壓狀態(tài),箱梁的支承體系不再提供有效約束,箱梁扭轉(zhuǎn)變形趨于發(fā)散,箱梁呈現(xiàn)橫向失穩(wěn)垮塌,橋梁支座和下部結(jié)構(gòu)連帶發(fā)生損壞。現(xiàn)場破壞形態(tài)表現(xiàn)為箱梁滑移、傾覆,甚至出現(xiàn)橋墩被推倒[3]。因此,《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[1](JTG 3362—2018)4.1.8條明確規(guī)定,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)范的要求,如式(1):

        (1)

        式中:kqf—橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù),取kqf=2.5;

        ∑Sbk,i—使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計值;

        ∑Ssk,i—使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計值[1]。

        本橋使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的荷載效應(yīng)為永久作用,主要為上部結(jié)構(gòu)重力,并考慮預(yù)加力和混凝土收縮徐變作用;使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的荷載效應(yīng)為汽車荷載。分析計算采用空間有限元分析程序Midas2020,采用梁單元進(jìn)行建模分析,正確模擬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布,按原設(shè)計輸入預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置和支座布置,汽車荷載采用公路-I級,橫向按兩車道沿曲線外側(cè)進(jìn)行不利布載,并考慮汽車的沖擊效應(yīng)。結(jié)構(gòu)計算模型如圖5所示。

        圖5 連續(xù)梁縱向計算模型

        依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[1](JTG 3362-2018)第4.1.8條及條文說明,0號臺和3號臺設(shè)置的雙支座處受力較為不利,其曲線內(nèi)側(cè)支座易出現(xiàn)脫空,且整體抗傾覆穩(wěn)定性較差,計算分析結(jié)果如表1。

        表1 加固前抗傾覆性能分析(單位:kN)

        由表1計算結(jié)果可以看到,梁端內(nèi)側(cè)支座受力較為不利,但均未出現(xiàn)脫空;0號臺處按規(guī)范計算的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為1.6,小于2.5,不滿足規(guī)范要求,需進(jìn)行加固處理。

        3 橋梁加固方案探討

        3.1 加固設(shè)計原則

        結(jié)合規(guī)范的規(guī)定,對橋梁的傾覆垮塌機(jī)理進(jìn)行了深入的剖析,提出箱梁橋的傾覆防控措施從改變結(jié)構(gòu)的破壞模式、提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能和設(shè)施冗余約束三個方面考慮,具體有以下三種傾覆防控措施:

        (1)將跨中單支座支承體系改為墩梁固接體系。

        (2)將跨中獨柱墩單支座支承體系改造為多支座支承體系。

        (3)設(shè)置限位構(gòu)造、抗拔裝置。

        對既有橋梁抗傾覆綜合處置時,宜按照“不顯著改變結(jié)構(gòu)受力體系、不顯著增加工程建設(shè)費用”的原則優(yōu)先對其加固,同時加固方案應(yīng)以“安全、經(jīng)濟(jì)、美觀”為原則,考慮橋梁的功能性要求、施工可實施性、檢測養(yǎng)護(hù)要求和景觀要求等,進(jìn)行多方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后確定[3]。

        加固改造方案應(yīng)盡量保持原結(jié)構(gòu)體系不變;采用原有獨柱單支座橋墩改造,如獨柱單支座體系改為橫向多支座體系(多柱式或獨柱雙支座式結(jié)構(gòu));或采用原有過渡墩或橋臺及相應(yīng)構(gòu)造改造,如墩臺拼寬、端橫梁改造、增加限位擋塊等[3]。

        3.2 加固設(shè)計方案選用

        本橋橋下空間不受限制且方便進(jìn)行加固施工,可以采用上述的各種加固措施。但是橋墩較矮,若采用加固措施一改造為墩梁固結(jié)體系,首先是改變了結(jié)構(gòu)的受力體系,橋梁上下部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)均發(fā)生較大改變,尤其墩梁固結(jié)后橋墩的受力變得更加不利。而且,將整體結(jié)構(gòu)加固改造成為墩梁固結(jié)體系,實施難度也較大,不宜采用措施一。

        采用措施二由于橋?qū)捿^小,不便在既有橋墩兩側(cè)新增橋墩,但是可以在既有中墩墩頂增設(shè)蓋梁,將跨中獨柱墩單支座改造為多支座支承體系,此方案并不顯著改變結(jié)構(gòu)的受力體系,但是有效地改善了結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能。同時,可以在梁端橋臺處的箱梁和橋臺間增設(shè)限位設(shè)施,為防止橋梁傾覆再增加一重保險。

        根據(jù)以上分析,本橋采用以下具體加固改造方案:在1、2號墩頂增加鋼蓋梁,采取有效措施保證鋼蓋梁和既有橋墩的有效連接。不改變既有橋梁上下部支座連接的前提下,在原橋支座兩側(cè)橫向各增加一個支座,支座距原支座橫向間距0.9m,新增支座僅為改善橋梁的抗傾覆性能,恒載作用下支座不受力,僅在汽車荷載作用下參與受力。同時,在0、3號橋臺兩側(cè)與梁體之間增加抗傾覆限位裝置。

        按照上述方案在中墩增設(shè)支座轉(zhuǎn)換為多支座支承體系,重新對橋梁的抗傾覆性能進(jìn)行計算分析,結(jié)果見表2。

        表2 加固后抗傾覆性能分析(單位:kN)

        對比加固前表1和加固后表2的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),恒載作用下的支座的受力未發(fā)生改變,但在汽車荷載的不利作用下,0、3號臺處曲線內(nèi)側(cè)支座受力情況得到極大改善,荷載組合后的支座壓力儲備明顯增大,支座更加不易出現(xiàn)脫空;同時,增加支座后有效地改善了橋梁的抗傾覆性能,抗傾覆安全系數(shù)得到提高,能夠滿足規(guī)范的要求。

        3.3 管理維護(hù)建議

        橋梁傾覆過程主要表現(xiàn)為單向受壓支座的依次脫空,最后出現(xiàn)橋梁的整體傾覆垮塌。因此,管理單位可以通過計算和檢測對有潛在傾覆風(fēng)險的橋梁進(jìn)行危險性分級,從而有針對性加強(qiáng)觀測,尤其加強(qiáng)對橋梁支座使用情況的觀測,觀測其使用過程中是否出現(xiàn)脫空的受力狀態(tài)和是否出現(xiàn)破損情況,發(fā)現(xiàn)異常后立即采取有效措施進(jìn)行處理。

        4 結(jié)論

        中間墩設(shè)置單支座支承體系的曲線橋梁,箱梁在汽車荷載的作用下處于彎剪扭的復(fù)合受力狀態(tài),支座易出現(xiàn)脫空,且橋梁整體抗傾覆性能差,存在安全隱患,應(yīng)采取有效措施進(jìn)行加固處理。將中間墩的單支座支承體系改造為多支座的支承體系,能夠調(diào)整支座的受力狀態(tài),改善橋梁的整體抗傾覆性能,是此類橋梁加固處理措施中的一種有效方法。

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