袁敏

（江西贛北公路勘察設(shè)計(jì)院，江西九江 332000）

0 引言

獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、橋下凈空大、外形具有一定美觀性，在橋梁及立交匝道橋等建筑中應(yīng)用較為廣泛，但該橋梁結(jié)構(gòu)主要采用單支點(diǎn)支撐形式，在行車(chē)偏載的影響下其橫向抗傾覆能力無(wú)法有效保證；在偶然偏心荷載影響下，結(jié)構(gòu)會(huì)突發(fā)整體橫向失穩(wěn)。在設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中因受到資金、技術(shù)條件、工期等的限制，橋梁結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆能力也往往被忽視，十分不利于結(jié)構(gòu)安全。同時(shí)，現(xiàn)行公路橋梁規(guī)范中有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)橫向傾覆穩(wěn)定性的規(guī)定較為模糊，且如何加強(qiáng)獨(dú)柱墩橋梁支座脫空、橫向傾覆、側(cè)向位移等病害預(yù)防也無(wú)完善的研究成果。本文以某墩梁固結(jié)獨(dú)柱墩橋梁為例，在對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗傾覆能力評(píng)估的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)及加固設(shè)計(jì)探討，以期為獨(dú)柱墩橋梁設(shè)計(jì)、施工提供借鑒參考。

1 工程概況

某現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁連續(xù)剛構(gòu)箱梁上部結(jié)構(gòu)按照6×30m+7×30m+6×30m設(shè)計(jì)，單箱雙室截面梁高1.6m，箱梁頂?shù)装鍖挿謩e為13.5m和8.0m。下部為獨(dú)柱墩過(guò)渡墩結(jié)構(gòu)，1#、2#、17#、18#墩頂均設(shè)置支座，其余墩則為墩梁固結(jié)結(jié)構(gòu)，考慮到橋墩高度及墩柱直徑，橋下凈空較大。墩底設(shè)置4根直徑1.2m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。該橋梁建成后在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，先后出現(xiàn)匝道橋裂縫、結(jié)構(gòu)變形及倒塌等病害，必須進(jìn)行橋梁抗傾覆安全評(píng)估及加固設(shè)計(jì)，保證交通安全。

2 原結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

2.1 驗(yàn)算荷載選取

通過(guò)對(duì)該獨(dú)柱墩橋梁匝道橋病害事故的全面分析發(fā)現(xiàn)，在車(chē)輛通行過(guò)程中，橋梁常規(guī)設(shè)計(jì)荷載和極端不利荷載之間差異較大，橋梁倒塌時(shí)超重車(chē)輛最大重量達(dá)到146.81t，但常規(guī)驗(yàn)算過(guò)程中，最大荷載中掛-120最大重量?jī)H為120t；一座橋上只允許運(yùn)行1輛掛車(chē)，但該匝道橋倒塌時(shí)同時(shí)運(yùn)行的貨車(chē)有4輛，且其中3輛為超重狀態(tài)。在這種情況下，在進(jìn)行獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆評(píng)估及加固設(shè)計(jì)時(shí)，不能按照常規(guī)荷載進(jìn)行驗(yàn)算。本研究主要采用設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)橋梁原來(lái)設(shè)計(jì)荷載等級(jí)，并選擇2輛汽-超20車(chē)隊(duì)，按照最不利工況進(jìn)行滿(mǎn)布偏載布置，并針對(duì)該獨(dú)柱墩橋梁匝道橋進(jìn)行復(fù)合驗(yàn)算；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合該獨(dú)柱墩橋梁匝道橋?qū)嶋H傾覆坍塌病害實(shí)際情況，選擇4輛荷載值均為165t的汽車(chē)編隊(duì)并采用特殊驗(yàn)算荷載，進(jìn)行獨(dú)柱墩主梁最不利偏載布置下抗傾覆安全性評(píng)估，以提升驗(yàn)算結(jié)果的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。

2.2 驗(yàn)算模型及結(jié)果

在進(jìn)行該獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)必須明確驗(yàn)算對(duì)象，構(gòu)建驗(yàn)算模型。該橋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算選擇中間7跨1聯(lián)7#～12#墩為驗(yàn)算對(duì)象，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)荷載進(jìn)行復(fù)核性驗(yàn)算?；诖?，選取特殊荷載進(jìn)行原結(jié)構(gòu)傾覆安全性驗(yàn)算，并進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)傾覆安全性評(píng)估。在抗傾覆驗(yàn)算過(guò)程中，為充分考慮墩梁固結(jié)結(jié)構(gòu)形式，必須根據(jù)承載能力極限狀態(tài)法進(jìn)行墩柱選擇[1]。

由于偏心荷載作用的不同，造成汽-超20級(jí)偏心荷載作用及特殊驗(yàn)算荷載作用兩種工況獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆計(jì)算結(jié)果也不盡相同。為進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)尺寸及竣工資料的復(fù)核，應(yīng)用MidasCivil軟件構(gòu)建計(jì)算模型[2]，分別進(jìn)行不同驗(yàn)算荷載下原結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性分析。在汽-超20級(jí)偏心荷載下獨(dú)柱墩偏心承載力計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，該獨(dú)柱墩橋梁匝道橋在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載影響下，其承受壓力極限狀態(tài)偏心受壓構(gòu)件結(jié)構(gòu)承載力符合設(shè)計(jì)要求，傾覆可能性較小。

表1 汽-超20級(jí)偏心荷載下獨(dú)柱墩偏心承載力結(jié)果

特殊驗(yàn)算荷載作用獨(dú)柱墩偏心承載力計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2，由驗(yàn)算結(jié)果可知，在特殊驗(yàn)算偏心荷載的作用下，該墩柱的橋梁匝道橋墩柱受力并不滿(mǎn)足極限承載力設(shè)計(jì)要求，墩柱及主梁必將發(fā)生彎壓、變形及傾覆破壞，必須進(jìn)行預(yù)防性抗傾覆加固處治。

表2 特殊驗(yàn)算荷載作用獨(dú)柱墩偏心承載力結(jié)果

3 加固設(shè)計(jì)

針對(duì)該獨(dú)柱墩橋梁所存在的傾覆隱患，為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性，可將獨(dú)柱結(jié)構(gòu)調(diào)整為三柱結(jié)構(gòu)，并將支撐柱增設(shè)于箱梁兩腹板周?chē)鸬椒謸?dān)活載、增強(qiáng)主梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用。此類(lèi)加固方式能充分利用豎向支撐的約束作用，使全橋設(shè)計(jì)扭矩及上部結(jié)構(gòu)自身扭矩破壞風(fēng)險(xiǎn)明顯降低；立柱橫向彎矩值以及獨(dú)柱墩橋梁偏心受壓破壞可能性均降低，獨(dú)柱墩抵御超載的作用大大提升；在橋梁上部結(jié)構(gòu)扭矩值降低的過(guò)程中，原結(jié)構(gòu)雙支座處出現(xiàn)負(fù)反力[3]，這說(shuō)明支座脫空的可能性進(jìn)一步降低。結(jié)合該橋梁結(jié)構(gòu)梁端支座負(fù)反力較大及橫向抗傾覆系數(shù)較小等問(wèn)題，提出以下幾種加固方案：

方案一：增設(shè)鋼管混凝土立柱。為降低原結(jié)構(gòu)橋墩立柱承受的偏心受壓作用，保證結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定，應(yīng)將鋼管混凝土立柱分別增設(shè)在7～10#橋墩原橫向立柱兩側(cè)。由于橋墩承臺(tái)尺寸較大，可直接將立柱結(jié)構(gòu)設(shè)置在原承臺(tái)結(jié)構(gòu)上，通過(guò)植筋的方式連接立柱柱腳和原承臺(tái)結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土立柱應(yīng)采用壁厚13mm、直徑710mm的螺旋鋼管，并在鋼管內(nèi)部增設(shè)植筋，確保立柱與原承臺(tái)結(jié)構(gòu)能夠有效連接，并在立柱頂部設(shè)置盆式橡膠支座。考慮該獨(dú)柱墩橋梁立柱結(jié)構(gòu)高度較高，增設(shè)H形橫向聯(lián)系鋼梁可增強(qiáng)橋梁下部結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，為便于連接，還應(yīng)將鋼箍加設(shè)在原混凝土立柱和鋼管混凝土立柱外側(cè)。

方案二：增設(shè)預(yù)應(yīng)力蓋梁。為與原獨(dú)柱墩立柱直徑相匹配，應(yīng)在立柱頂部增設(shè)130cm高、160cm厚的蓋梁，并采用直徑32mm的高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋和后張預(yù)應(yīng)力筋施工方式，確保新設(shè)蓋梁和原立柱結(jié)構(gòu)緊密貼合。

方案三：增設(shè)抗拔約束裝置。傾覆軸不能改變時(shí)其抗傾覆系數(shù)也無(wú)法提高，支座反力必然過(guò)大，無(wú)法達(dá)到加固要求。當(dāng)支座負(fù)反力在500kN以下時(shí)，可利用增設(shè)抗拔約束裝置的輔助加固方式。

方案四：加寬端橫梁，并將邊支座拉開(kāi)至箱梁寬度后，原結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆系數(shù)取值為1.8，不符合設(shè)計(jì)加固要求，且支座反力較大，故該加固措施缺乏可行性。

從施工難易程度、交通及景觀影響、適用性、造價(jià)及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行以上方案的綜合比選，具體見(jiàn)表3。根據(jù)綜合比較結(jié)果，該獨(dú)柱墩橋梁匝道橋抗傾覆加固設(shè)計(jì)主要采用增設(shè)蓋梁+聯(lián)端增設(shè)抗拔約束裝置的加固措施，將蓋梁增設(shè)在獨(dú)柱墩墩頂，使獨(dú)柱墩單支承體系變?yōu)槎嘀С?，抗扭轉(zhuǎn)形變能力提升，達(dá)到抗傾覆加固目的；蓋梁由工廠化預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，并通過(guò)高強(qiáng)錨固螺栓固定，在立柱和蓋梁結(jié)合面壓注環(huán)氧樹(shù)脂膠，保證整體連接。此外，還應(yīng)在梁端增設(shè)抗拔拉桿，防止邊支座脫空后影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

表3 獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆加固方案比較

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，獨(dú)柱墩橋梁傾覆側(cè)翻事故較為常見(jiàn)，超載超限情況下獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題日益突出，獨(dú)柱墩橋梁發(fā)生傾覆破壞后主要表現(xiàn)出支架脫空和梁體轉(zhuǎn)動(dòng)兩大特征，必須針對(duì)支座反力和梁體轉(zhuǎn)角進(jìn)行抗傾覆評(píng)估。獨(dú)柱墩橋梁匝道橋應(yīng)用本文所提供方案進(jìn)行抗傾覆加固治理后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯著提升，同時(shí)也說(shuō)明，在獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)中增設(shè)蓋梁及聯(lián)端抗拔約束裝置是解決結(jié)構(gòu)抗傾覆問(wèn)題的有效措施。