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。