任永斌

（中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司,湖北 武漢 430000）

0 引言

獨柱墩橋梁往往具備多種路線形態(tài)，能夠極大地優(yōu)化局部公路交通通行環(huán)境，被廣泛應(yīng)用在公路匝道橋梁、城市立交中。車輛通行規(guī)模的增大促使人們對橋梁結(jié)構(gòu)承載強度及穩(wěn)定性要求愈發(fā)嚴(yán)格，考慮到曲線獨柱墩橋梁只有單個支點支撐其橫橋向穩(wěn)定性，在外部行車荷載作用下極容易造成獨柱墩橫向傾覆。獨柱墩曲線橋梁在偏心荷載作用下產(chǎn)生較大的扭矩，此時橋梁支座容易產(chǎn)生脫空情況，繼而產(chǎn)生整體傾覆，對公路交通的穩(wěn)定運行造成了極大威脅。為此，開展獨柱墩曲線橋梁行車荷載下的力學(xué)加固分析具有重要社會經(jīng)濟效益。

1 獨柱墩曲線箱梁受力

直線橋梁在行車荷載不偏心情況下不會產(chǎn)生較大扭矩，然而在曲線獨柱墩箱梁結(jié)構(gòu)中，即便存在對稱行車荷載，也會對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯扭矩。在橋梁曲率半徑較小時，獨柱墩曲線箱梁極容易出現(xiàn)內(nèi)梁卸載、外梁超載情況，針對獨柱墩箱梁設(shè)計優(yōu)化不僅需要考慮行車偏載情況下造成的結(jié)構(gòu)內(nèi)力不均勻現(xiàn)象，而且還要重點分析支點反力分布，避免出現(xiàn)傾覆危害。

1.1 荷載

相對于直線型橋梁，獨柱墩曲線箱型橋梁在行車荷載作用下，會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、橫縱向彎曲、畸變等多種變形狀況，且隨著箱橋梁曲率半徑的變化，力學(xué)響應(yīng)差異性極大。獨柱墩曲線箱橋梁在外荷載作用下產(chǎn)生明顯的彎扭耦合效應(yīng)，產(chǎn)生的變形也要大于同樣尺度的直線橋梁，且曲線橋梁彎扭耦合下的外邊緣變形明顯大于內(nèi)邊緣變形[1]。

1.2 支座反力

獨柱墩曲線箱橋梁支座反力在外界荷載作用下呈不均勻分布，曲線橋的外支座反力明顯要大于內(nèi)支座反力，這主要歸因于橋梁重心線處于截面形心線外側(cè)。曲線橋梁支座反力比直線橋更為復(fù)雜，在內(nèi)側(cè)支座處極容易出現(xiàn)負(fù)支座反力，繼而導(dǎo)致支座脫空而傾覆。為此，前期曲線橋梁設(shè)計階段需要加強支座控制，可以在外側(cè)支座位置設(shè)置防超載裝置，也可以在內(nèi)側(cè)采用受拉型支座。

1.3 剛度

獨柱墩曲線箱橋梁上部結(jié)構(gòu)具備較大的橫梁剛度，這能夠充分保證整體結(jié)構(gòu)的剛度穩(wěn)定性。施工中采用薄腹箱梁截面時，則需要適當(dāng)增加橫梁數(shù)量提升剛度，以便弱化彎扭耦合造成的截面畸變。除此之外，曲線箱梁預(yù)應(yīng)力效應(yīng)也會對支座反力進行重分配，進行結(jié)構(gòu)抗傾覆設(shè)計中支座反力分析時需要對預(yù)應(yīng)力效應(yīng)加以考慮[2]。

2 工程概況

湖北省某鋼筋混凝土曲線箱梁設(shè)計全長90 m，三跨結(jié)構(gòu)（25 m+25 m+25 m），上跨運輸鐵路，設(shè)計荷載為公路Ⅱ級，設(shè)計車速60 km/h。橋型布置示意圖如圖1所示。曲線箱橋梁面設(shè)計寬度11 m[0.5 m（防撞護欄）+10 m（行車道）+0.5 m（防撞護欄）]，橋面設(shè)計橫坡1.5%，曲率半徑700 m。箱梁結(jié)構(gòu)頂板高度1.8 m，底板寬度為1 m，寬度為11 m；下部結(jié)構(gòu)設(shè)計則采取獨柱墩橋墩+擴大基礎(chǔ)構(gòu)造，U型橋臺。其中，箱梁現(xiàn)澆混凝土C30，橋墩、支座墊石、橋臺結(jié)構(gòu)混凝土C30，搭板、護欄、橋墩擴大基礎(chǔ)則采取C25混凝土。支座布置方案如下：橋橋梁臺處布設(shè)3個對稱分布的板式橡膠支座（400×450×80 mm），內(nèi)外側(cè)支座距離橋梁設(shè)計中線為3.2 m，中間1、2號橋墩處則分別布置單個圓板式橡膠支座（1 310×140 mm）?？紤]到該區(qū)域車輛通行量較多，且重車占比較大，設(shè)計單位擬對該獨柱墩曲線箱橋梁進行公路Ⅰ級荷載的抗傾覆驗算，繼而進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化加固，以便改善橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，提升區(qū)域交通規(guī)模[3]。

圖1 橋型布置示意圖

3 有限元模型分析

3.1 尺寸及荷載

該獨柱墩曲線箱梁為非預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁設(shè)計，設(shè)計單位主要采取MIDAS/Civil有限元軟件對該橋梁進行梁格法模型構(gòu)建和力學(xué)響應(yīng)分析，箱梁為單箱雙室截面設(shè)計，具體尺寸如圖2所示。

圖2 箱梁截面示意圖

模型施加荷載如下：永久荷載包括混凝土自重25 kN/m3、兩側(cè)護欄線荷載14.3 kN/m、橋面鋼筋混凝土鋪裝及瀝青混凝土路面；汽車荷載則以公路Ⅰ級設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行抗傾覆驗算，橋面為雙向二車道設(shè)計，其中，公路Ⅰ級車道荷載均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk=10.5 kN/m，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值pk按照以下標(biāo)準(zhǔn)進行選取：計算跨徑≤5 m，則選取pk=180 kN；計算跨徑≥50 m時，則選取pk=360 kN；計算跨徑分布在5～50 m之間時，則通過線性插入法選取pk。該橋梁為雙向行車，行車寬度10 m，則需要綜合分析二車道荷載效應(yīng)，此時均布荷載qk=21 kN/m，集中荷載pk選取為520 kN；支座沉降以0.025 m（L/3 000）進行計算。

3.2 模型構(gòu)建

項目主要采取MIDAS/Civil軟件進行梁格法模型構(gòu)建，模型示意圖如圖3所示。模型計算中對于最不利荷載施加位置的確定遵循以下原則：行車均布荷載滿布于橋梁結(jié)構(gòu)最不利情況影響線上，集中荷載則作用于影響線最大峰值位置。通過軟件測試可以獲取1#、3#、6#、8#支座最不利行車荷載施加位置，1#支座反力計算需要在3#支座內(nèi)側(cè)加載，此時均布荷載滿布橋跨，5#支座外邊緣施加集中荷載；3#支座反力計算則需要在內(nèi)側(cè)進行加載，此時橋跨滿布均布荷載，4#支座外邊緣施加集中荷載；8#支座反力計算則需要均布荷載滿布橋跨，5#支座外邊緣施加集中荷載[4]。

圖3 模型構(gòu)建示意圖

3.3 抗傾覆分析

3.3.1 最不利支座反力

項目進行獨柱式曲線箱橋梁抗傾覆驗算中，需要考慮以下荷載組合：支座沉降、箱橋梁自重、護欄及橋面鋪裝、外側(cè)施加行車荷載。項目為對稱結(jié)構(gòu)，依據(jù)實踐經(jīng)驗，只對1#、3#支座不利情況進行分析。1#支座最不利內(nèi)側(cè)加載反力、3#支座最不利外側(cè)加載造成的反力統(tǒng)計如表1所示。表1結(jié)果表明，1#支座最不利內(nèi)側(cè)施加行車荷載下，支座反力不存在負(fù)值，所有支座并不會脫空；3#支座最不利外側(cè)施加行車荷載情況下，3#支座的反力為負(fù)值，此時3#支座存在脫空。該橋梁結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)對稱，1#支座和6#支座具備同樣力學(xué)響應(yīng)，3#支座和8#支座也具備同樣力學(xué)響應(yīng)。3#支座在不利荷載施加情況下出現(xiàn)反力負(fù)值主要是由曲線梁自身構(gòu)造特性所決定，箱梁內(nèi)側(cè)弧長要小于外側(cè)弧長，曲線箱梁的截面形心和結(jié)構(gòu)重心并不一致，結(jié)構(gòu)重心要往曲線梁外側(cè)發(fā)展，此時重心軸、行車荷載兩者產(chǎn)生相互扭轉(zhuǎn)，造成3#支座的脫空現(xiàn)象，引發(fā)橋梁翻轉(zhuǎn)等嚴(yán)重安全事故[5]。

表1 1#、3#支座不利情況下支座反力統(tǒng)計

3.3.2 抗傾覆驗算

依據(jù)相關(guān)規(guī)范，該文確定該曲線箱梁的最小抗傾覆系數(shù)為2.5，這樣才能夠確保箱梁結(jié)構(gòu)的強度耐久性符合要求。該獨柱墩曲線箱梁抗傾覆安全系數(shù)計算如式（1）：

式中，RGi——各支座反力；e——行車加載車道到結(jié)構(gòu)傾覆中線距離最大值；Ω——橫線加載車道和傾覆中線圍合面積；u——沖擊系數(shù)；xi——支座至傾覆線之間的距離，如表2所示。

表2 傾覆線至支座的垂直距離統(tǒng)計

項目箱梁均布荷載21 kN/m，集中荷載520 kN，Ω=191 m2，沖擊系數(shù)u為0.24，加載車道至傾覆線距離e為2.8 m，則通過計算可獲取項目的抗傾覆系數(shù)為1.3＜2.5，則該曲線箱型橋梁在Ⅰ級公路荷載下不能夠達(dá)到穩(wěn)定性要求。

4 橋梁加固優(yōu)化設(shè)計

4.1 加固方案

新建曲線橋梁可以通過支座的合理偏心化設(shè)置有效提升結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力。既有箱梁結(jié)構(gòu)則難以進行支座偏心處理，設(shè)計單位擬采取增加支座數(shù)量方法進行抗傾覆優(yōu)化。加固方案中需要在箱梁已有獨柱墩上部施工鋼結(jié)構(gòu)支撐，支撐上需要附聯(lián)2個支座，對行車荷載及彎扭耦合效應(yīng)進行充分分擔(dān)，消除過大的橫向扭矩。加固布置示意圖如圖4所示，1、2號橋墩位置在橋梁設(shè)計中心線兩側(cè)距3.2 m處分別布置1個同類型支座，該布置形式能夠弱化行車荷載偏心施加時產(chǎn)生的彎扭變形[6]。

圖4 加固方案支座布置示意圖

4.2 加固效果

針對加固后工況開展原有最不利荷載作用下的有限元分析，3#支座加固前后各支座反力及抗傾覆安全系數(shù)對比如表3所示，結(jié)果表明，公路Ⅰ級行車荷載作用下，加固后曲線橋梁都不會出現(xiàn)支座脫空情況，3#支座反力此時為420 kN。

表3 不利情況支座反力及抗傾覆安全系數(shù)對比

5 總結(jié)

該文針對湖北省某三跨獨柱墩曲線箱梁進行抗傾覆驗算，并且針對最不利支座進行加固分析。研究結(jié)果表明，公路Ⅰ級荷載作用下原有橋梁存在3#支座脫空情況，極容易出現(xiàn)傾覆危害；采取增加中墩支座的加固方案能夠充分提升橋梁通行能力及整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。該文所作研究能夠為類似工程設(shè)計提供理論參考。