于幸平　金峰

摘要 以某等高鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)的互通區(qū)獨(dú)柱墩橋?yàn)槔?，提出其上增設(shè)鋼蓋梁的加固措施，鋼蓋梁處治方案恒載增加小、施工工期短、加固施工對(duì)橋面交通影響小，但是鋼蓋梁結(jié)構(gòu)整體剛度低，并對(duì)輔助支座受力較為不利。為此，采用MIDAS-Civil有限元軟件進(jìn)行了加固前后獨(dú)柱墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算以及鋼蓋梁受力可靠性分析。結(jié)果表明，獨(dú)柱墩是橋梁常見(jiàn)的橋梁下部結(jié)果形式之一，在進(jìn)行獨(dú)柱墩抗傾覆驗(yàn)算時(shí)，傾覆系數(shù)取值對(duì)傾覆能力影響較大，所得出的傾覆系數(shù)和支座脫空的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不明確，而以支座脫空作為判斷結(jié)構(gòu)傾覆程度的標(biāo)準(zhǔn)則較為科學(xué)合理。

關(guān)鍵詞 獨(dú)柱墩橋梁;鋼蓋梁;加固設(shè)計(jì);可靠性驗(yàn)算

中圖分類(lèi)號(hào) U442.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2022）11-0121-03

引言

獨(dú)柱墩橋梁上部結(jié)構(gòu)傾覆為復(fù)雜的力學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)橋梁上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾覆前必然會(huì)先與支座脫空，脫空后的支座無(wú)法對(duì)上部結(jié)構(gòu)發(fā)揮應(yīng)有的支撐作用，僅靠剩余支座對(duì)上部結(jié)構(gòu)施加約束，引發(fā)剩余支座反力重新分布，這一過(guò)程中可能造成支座豎向壓力超出支座設(shè)計(jì)強(qiáng)度，引發(fā)支座承壓破壞、支座轉(zhuǎn)角變形過(guò)大以及梁體滑移、蓋梁及橋墩強(qiáng)度破壞[1]。增加鋼蓋梁的技術(shù)是近年來(lái)學(xué)術(shù)界和工程實(shí)踐中均較為推崇的獨(dú)柱墩橋梁加固措施，該文通過(guò)比較獨(dú)柱墩橋梁加固前后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，論證鋼蓋梁加固方案的可行性，并為獨(dú)柱墩橋梁加固設(shè)計(jì)提供借鑒依據(jù)。

1 工程概況

某互通區(qū)獨(dú)柱墩橋?yàn)榈雀咪摻罨炷吝B續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)荷載與驗(yàn)算荷載均為公路-Ⅰ級(jí);下部為鋼筋混凝土獨(dú)柱墩及肋板式橋臺(tái)結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面C40復(fù)合纖維防水混凝土鋪裝層設(shè)計(jì)厚度8～14 cm;主梁截面為單箱單室斜腹板形式，箱梁頂?shù)追謩e寬10 m和5.6 m，梁高1.2 m，頂?shù)装搴穸染鶠?0 cm，并在支點(diǎn)處加厚至40 cm;腹板厚30 cm，支點(diǎn)處加厚至50 cm。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，單向受壓支座在標(biāo)準(zhǔn)值作用組合下不應(yīng)處于脫空狀態(tài)，支座橫向轉(zhuǎn)角應(yīng)不超出0.02 rad，固定支座各向水平力及單向支座非滑移向水平力標(biāo)準(zhǔn)值均不應(yīng)超出設(shè)計(jì)承載力的10%[2]。

為應(yīng)對(duì)該獨(dú)柱墩橋梁穩(wěn)定性不足的情況，避免安全事故發(fā)生，應(yīng)采用可靠的加固處理措施，該橋梁主要采用增設(shè)鋼蓋梁的方法，加固效果圖詳見(jiàn)圖1。在加固過(guò)程中支點(diǎn)受力體系改變后應(yīng)在主梁腹板范圍內(nèi)設(shè)置支點(diǎn)，防止因主梁底板局部應(yīng)力過(guò)大而引發(fā)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞;通過(guò)化學(xué)錨栓連接鋼蓋梁和墩柱結(jié)構(gòu)。橋梁正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)均維持原設(shè)計(jì)，保證在原設(shè)計(jì)荷載下加固后的結(jié)構(gòu)能滿(mǎn)足正常使用要求。

2 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

為進(jìn)行獨(dú)柱墩增設(shè)鋼蓋梁法加固效果的檢驗(yàn)，必須進(jìn)行加固前后獨(dú)柱墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算?！豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3362—2018）規(guī)定，在持久運(yùn)行狀態(tài)下，梁橋結(jié)構(gòu)不應(yīng)表現(xiàn)出體系改變，且單向受壓支座必須保持受壓狀態(tài)，而整體式截面簡(jiǎn)支梁及連續(xù)梁均應(yīng)滿(mǎn)足抗傾覆穩(wěn)定性要求。驗(yàn)算過(guò)程中應(yīng)考慮車(chē)道荷載、成橋內(nèi)力、支座沉降、溫度梯度及溫度升降標(biāo)準(zhǔn)值作用下支座反力是否表現(xiàn)為負(fù)反力。

2.1 加固前抗傾覆驗(yàn)算

通過(guò)MIDAS-Civil有限元軟件進(jìn)行獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)加固前支座是否脫空計(jì)算，并驗(yàn)算加固措施實(shí)施前支座是否符合規(guī)范所規(guī)定的不脫空條件[3]。支座脫空驗(yàn)算結(jié)果表明0#橋臺(tái)左右支座實(shí)際支反力分別為?495.2 kN和?478.4 kN，4#橋臺(tái)左右支座實(shí)際支反力分別為?495.2 kN和?478.4 kN，而1#～3#橋墩支座實(shí)際支反力分別為2 981.3 kN、3 054.5 kN和2 981.3 kN。驗(yàn)算結(jié)果表明，在基本組合情況下，1#～3#橋墩支座實(shí)際支反力為正反力，符合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3362—2018）規(guī)范要求，但0#橋臺(tái)和4#橋臺(tái)左右支座主要產(chǎn)生負(fù)反力，不符合規(guī)定，也說(shuō)明該獨(dú)柱墩兩側(cè)橋臺(tái)支座存在脫空現(xiàn)象。

應(yīng)用MIDAS-Civil有限元軟件進(jìn)行該獨(dú)柱墩橋梁加固前抗傾覆驗(yàn)算，并進(jìn)行橋梁穩(wěn)定系數(shù)是否在2.5以上的判斷。驗(yàn)算結(jié)果詳見(jiàn)表1。根據(jù)所得到的獨(dú)柱墩橋梁增設(shè)鋼蓋梁加固前橋臺(tái)各支座最不利工況下穩(wěn)定及失穩(wěn)效應(yīng)分析結(jié)果，0#橋臺(tái)和4#橋臺(tái)穩(wěn)定性系數(shù)均為0.78，遠(yuǎn)小于2.5的規(guī)范值，說(shuō)明加固措施實(shí)施前該獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果并不滿(mǎn)足規(guī)范。

根據(jù)以上分析結(jié)果，該獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)0#橋臺(tái)和4#橋臺(tái)在加固措施實(shí)施前均面臨支座脫空、抗傾覆驗(yàn)算達(dá)不到規(guī)范要求等情況，必須通過(guò)加固處理，改善獨(dú)柱墩橋梁穩(wěn)定性能。

2.2 加固后抗傾覆驗(yàn)算

該獨(dú)柱墩橋梁增設(shè)鋼蓋梁時(shí)在主梁和支座間預(yù)留寬度為2 mm的間隙，使兩側(cè)支座頂部并不與梁底接觸。一側(cè)支座接觸梁底、另一側(cè)脫空的單側(cè)偏載工況能使橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性顯著提升，并使鋼蓋梁負(fù)擔(dān)有效減輕、鋼蓋梁耐久性提升。由于支座脫空驗(yàn)算過(guò)程中舊橋支座若不發(fā)生脫空即視為抗傾覆驗(yàn)算過(guò)關(guān)，故加固后獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆驗(yàn)算不考慮邊支座的脫空情況。

應(yīng)用MIDAS-Civil有限元軟件進(jìn)行增設(shè)鋼蓋梁加固后橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中抗傾覆驗(yàn)算。考慮最不利的單側(cè)偏載情況，根據(jù)規(guī)范進(jìn)行各墩臺(tái)支座穩(wěn)定效應(yīng)及失穩(wěn)效應(yīng)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，根據(jù)結(jié)果，0#橋臺(tái)、4#橋臺(tái)及1#～3#橋墩支座抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最大值為31.76，最小值為6.57，均超出規(guī)范值，表明通過(guò)增設(shè)鋼蓋梁的措施進(jìn)行獨(dú)柱墩橋梁加固后抗傾覆驗(yàn)算符合相關(guān)規(guī)范，加固后橋梁整體穩(wěn)定性能顯著改善。

3 鋼蓋梁受力可靠性分析

考慮到獨(dú)柱墩橋梁上增設(shè)鋼蓋梁后，橋梁上部結(jié)構(gòu)自重和活荷載便由鋼蓋梁承擔(dān)，鋼蓋梁結(jié)構(gòu)比混凝土蓋梁結(jié)構(gòu)整體剛度低，并對(duì)輔助支座受力存在一定程度的不利影響，為確保鋼蓋梁及橋梁整體的受力穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全，必須進(jìn)行鋼蓋梁受力可靠性驗(yàn)算。懸臂式鋼蓋梁鋼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為8.0 m，寬2.5 m，并主要由腹板、頂板、鋼套筒、加勁肋及橫隔板等組成，頂板、腹板及鋼套筒鋼板均采用厚度24 mm的Q345鋼材，其余鋼板厚度在12～16 mm范圍內(nèi)。鋼材主要通過(guò)工廠預(yù)制、施工現(xiàn)場(chǎng)組裝的方式，按照設(shè)計(jì)要求分別安裝在頂板、腹板、墩頂?shù)炔课弧ｄ撎淄餐ㄟ^(guò)坡口焊，其余鋼板結(jié)構(gòu)則采用焊腳尺寸9.0 mm的角焊縫。預(yù)制鋼蓋梁結(jié)構(gòu)通過(guò)8.8級(jí)M20螺栓現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接，蓋梁和墩柱則通過(guò)8.8級(jí)M20后擴(kuò)底錨栓連接;通過(guò)壓力注膠的方式進(jìn)行鋼板和墩柱混凝土結(jié)合面黏接。該獨(dú)柱墩橋梁鋼結(jié)構(gòu)全部采用涂裝防腐涂層的耐候鋼，涂裝層厚340 mm。涂裝體系要求詳見(jiàn)表3。增設(shè)CJZ型（500×500×50）mm（長(zhǎng)×寬×高）板式橡膠支座，并增設(shè)鋼筋混凝土墊石，并焊接U型鋼筋作為鋼蓋梁和墊石間的剪力連接鍵，在墊石四周增設(shè)固定鋼板。55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7

通過(guò)MIDAS-Civil有限元軟件進(jìn)行鋼蓋梁拉/壓彎構(gòu)件腹板厚度、腹板應(yīng)力、翼緣板彎曲應(yīng)力、構(gòu)件整體穩(wěn)定性分析及疲勞驗(yàn)算，有限元模型見(jiàn)圖2。值得注意的是，在進(jìn)行鋼蓋梁受力驗(yàn)算時(shí)，必須保證所涉及的各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）的相關(guān)要求，注重構(gòu)造所要求的計(jì)算內(nèi)容。

3.1 腹板應(yīng)力及最小厚度驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）的相關(guān)規(guī)定，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁腹板應(yīng)力必須滿(mǎn)足以下條件：

（1）

式中，——腹板應(yīng)力（MPa）;——橋梁鋼結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);——腹板彎曲應(yīng)力（MPa）;——鋼材設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度（MPa）。由式（1）可得，腹板應(yīng)力為35.987 MPa，比鋼材設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度155.00 MPa小，故腹板應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

根據(jù)式（1）所得到的該獨(dú)柱墩橋梁腹板應(yīng)力驗(yàn)算包絡(luò)圖具體見(jiàn)圖3。

根據(jù)規(guī)范，腹板厚度最小值應(yīng)滿(mǎn)足下式：

（2）

式中，——腹板厚度實(shí)際值（mm）;——腹板厚度最小值（mm）。經(jīng)計(jì)算，腹板厚度最小值為8.5 mm，比腹板實(shí)際厚度30 mm小，故滿(mǎn)足規(guī)范要求。該獨(dú)柱墩橋梁增設(shè)鋼蓋梁后腹板厚度最小值包絡(luò)圖具體見(jiàn)圖4。

3.2 鋼蓋梁疲勞驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范，應(yīng)用疲勞荷載計(jì)算模型進(jìn)行正應(yīng)力及剪應(yīng)力疲勞計(jì)算，根據(jù)所得到的疲勞驗(yàn)算正應(yīng)力包絡(luò)圖及剪應(yīng)力包絡(luò)圖，疲勞模型下最大正應(yīng)力幅值取88.7 MPa，最不利疲勞正應(yīng)力幅值為11.78 MPa;疲勞模型下最大剪應(yīng)力幅值為34.8 MPa，最不利疲勞剪應(yīng)力幅值為4.989 MPa。疲勞模型下最大正應(yīng)力幅值和最大剪應(yīng)力幅值均比正應(yīng)力疲勞極限值和剪應(yīng)力疲勞極限值小[4]。以上結(jié)果充分說(shuō)明，鋼蓋梁結(jié)構(gòu)疲勞正應(yīng)力和剪應(yīng)力可靠性均符合規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過(guò)增設(shè)鋼蓋梁法進(jìn)行獨(dú)柱墩橋梁加固處理后橋梁支座抗傾覆穩(wěn)定性極大提升，橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性明顯改善。在獨(dú)柱墩橋梁上增加鋼蓋梁后，鋼蓋梁結(jié)構(gòu)將承受主梁自重及結(jié)構(gòu)活載，故鋼蓋梁各項(xiàng)指標(biāo)必須滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范，才能保證加固措施的安全可靠。該文對(duì)鋼蓋梁實(shí)施加固后能有效消除橋梁因長(zhǎng)期承受重載車(chē)輛作用后的抗傾覆安全隱患，確保獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)行安全。除采取增設(shè)鋼蓋梁加固技術(shù)外，加強(qiáng)對(duì)超載超限車(chē)輛管理、限制車(chē)速等對(duì)于確保獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行也很重要。

參考文獻(xiàn)

[1]劉驍. 獨(dú)柱墩橋梁增設(shè)鋼蓋梁設(shè)計(jì)與驗(yàn)算分析[J]. 低溫建筑技術(shù)， 2021（11）： 115-119.

[2]王文彪， 韓鵬， 李攀. 獨(dú)柱墩曲線(xiàn)橋鋼蓋梁加固方案設(shè)計(jì)[J]. 城市道橋與防洪， 2021（3）： 68-71+13-14.

[3]李王輝， 賈磊， 張小剛. 獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁增設(shè)鋼蓋梁加固設(shè)計(jì)[J]. 公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）， 2019（1）： 232-234.

[4]翟銳. 獨(dú)柱墩匝道橋抗傾覆驗(yàn)算與安全提升改造研究[J]. 工程技術(shù)研究， 2021（7）： 41-43.

收稿日期：2022-03-09

作者簡(jiǎn)介：于幸平（1970—），男，大專(zhuān)，助理工程師，從事路政工作。55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7