易敬 周健瑋

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

0 引言

獨(dú)柱墩橋梁一般在橋臺(tái)或過渡墩處設(shè)置雙支座，但為了增強(qiáng)橋下通透性并使橋下結(jié)構(gòu)看起來更美觀，在跨中位置會(huì)采用單柱單支座的方式。從穩(wěn)定性上分析，在汽車偏載、離心力、徑向預(yù)應(yīng)力等荷載作用下，會(huì)對(duì)墩柱墩橋梁整體結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆穩(wěn)定性造成影響，甚至?xí)?dǎo)致主梁存在傾覆失穩(wěn)的可能。因此，對(duì)現(xiàn)役和在建公路獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆性能進(jìn)行一次全面排查和評(píng)估，能夠有效預(yù)防傾覆事故的發(fā)生，具有較強(qiáng)的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

某交叉匝道橋坐落于G75蘭海高速貴陽(yáng)段，是一座現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)曲線箱梁橋，跨徑組合為16m+5×22m+16m，橋梁全長(zhǎng)166m。該橋橋臺(tái)處橫向設(shè)置雙支座，間距為2.9m；獨(dú)柱墩個(gè)數(shù)為6個(gè)，其中1號(hào)墩、6號(hào)墩為釋放墩，2號(hào)墩～5號(hào)墩為固結(jié)墩。

按貴州省人民政府《排查風(fēng)險(xiǎn)隱患橋梁》工作提示精神，相關(guān)部門對(duì)蘭海高速貴陽(yáng)段公路獨(dú)柱墩橋梁實(shí)施了抗傾覆核查驗(yàn)算，該橋加固前抗傾覆系數(shù)為1.2，存在支座脫空問題，不滿足規(guī)范要求，結(jié)果如表1所示。

表1 抗傾覆計(jì)算驗(yàn)算結(jié)果

圖1 橋型布置圖

2 獨(dú)柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與傾覆原因分析

2.1 獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

采用整體截面支座支承（連續(xù)或簡(jiǎn)支）的獨(dú)柱墩橋梁，其上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向傾覆穩(wěn)定性較差。其中，預(yù)制拼裝上部結(jié)構(gòu)支座支承或墩梁固結(jié)的獨(dú)立柱墩橋梁，邊墩支座脫空或出現(xiàn)負(fù)反力是重點(diǎn)，而側(cè)向傾覆則非關(guān)注重點(diǎn)。從側(cè)向傾覆穩(wěn)定性的角度來看，支座支承的直線橋和曲線橋，兩者的受力特性有明顯區(qū)別。直線橋的主梁僅產(chǎn)生彎矩和豎向變形，而曲線橋則具有明顯的“彎扭藕合”特性。成橋狀態(tài)下的曲線橋，因聯(lián)端內(nèi)外支座存在反力差，且平曲線半徑越小，聯(lián)端支座更易脫離正常受力狀態(tài)，故較直線橋存在初始扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，更易脫空。在整聯(lián)支座構(gòu)成的支承面中，傾覆軸線是以最不利情況來確定。

2.2 獨(dú)柱墩橋梁傾覆原因

2.2.1 嚴(yán)重超載和集中偏載

相關(guān)調(diào)查結(jié)果表明，發(fā)生傾覆事故橋梁的實(shí)際荷載與設(shè)計(jì)荷載比值在1.88至3.27之間，壽命重載車輛的偏載作用是獨(dú)柱墩橋梁傾覆的重要原因。

2.2.2 支承間距較小

發(fā)生傾覆事故的橋梁，基本都是采用聯(lián)端橫向雙支座支承+聯(lián)中單支座支承的整體式箱梁橋，橋梁寬度與多支承間距比較大，在外部不利荷載的作用下，很容易發(fā)生傾覆現(xiàn)象。

3 抗傾覆加固方案

3.1 抗傾覆加固原則

在設(shè)計(jì)抗傾覆加固方案時(shí)，應(yīng)結(jié)合獨(dú)柱墩橋梁傾覆特征狀態(tài)、橋梁地理位置及自然環(huán)境，在滿足提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定性能的前提下，確保其安全可靠、造價(jià)合理、施工便捷，同時(shí)須將抗傾覆整改加固施工對(duì)交通通行的影響降到最低。

3.2 常用抗傾覆加固措施

根據(jù)獨(dú)墩柱橋梁傾覆特征狀態(tài)，目前常用的抗傾覆加固措施主要有4種，分別是設(shè)置抗拉拔裝置；新增輔助橋墩；增大橋墩截面，改單支承為多支承；加鋼蓋梁，改單支承為多支承。上述4種常用抗傾覆措施的特點(diǎn)及適用條件如表2所示。

表2 常用抗傾覆加固措施對(duì)比

3.3 抗傾覆加固方案確定

根據(jù)類似項(xiàng)目以往常規(guī)通用的抗傾覆加固措施，結(jié)合橋梁所處地理位置，本次獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆加固方案為：在原1號(hào)、6號(hào)獨(dú)柱墩墩頂增設(shè)鋼蓋梁，將單點(diǎn)支承調(diào)整為橫向三點(diǎn)支承，設(shè)置支承間距為140cm，并在橋臺(tái)處增加拉拔裝置，如圖2和圖3所示。

圖2 加固方案構(gòu)造圖（單位：cm）

圖3 支座布置平面圖

3.4 抗傾覆加固施工流程

根據(jù)橋梁實(shí)際狀況，并結(jié)合交通需求，抗傾覆加固施工具體步驟如下：中橫梁底板黏貼鋼板；安裝梁底調(diào)平鋼板；安裝吊裝鋼結(jié)構(gòu)蓋梁半結(jié)構(gòu)；安裝支座；調(diào)節(jié)梁底調(diào)平鋼板螺母，保證調(diào)平鋼板與支座之間的預(yù)壓力不低于5kN；增設(shè)支座脫空抗拉拔裝置；采用聚合物改性水泥砂漿填充梁底調(diào)平鋼板與梁底之間的間隙。

4 抗傾覆加固后計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析指標(biāo)

4.1.1 永久作用

（1）結(jié)構(gòu)自重

①一期恒載：自重系數(shù)-1.04。

②二期恒載：橋面鋪裝、護(hù)欄。

（2）徐變收縮

由程序自動(dòng)計(jì)算各構(gòu)件的理論厚度。

（3）支座沉降

沉降值△=0.01m。

4.1.2 可變作用

（1）溫度作用

溫度采用原設(shè)計(jì)體系升溫、降溫為25℃，溫度梯度按照規(guī)范取值。

（2）汽車荷載

原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)。

4.2 整體計(jì)算

整體計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型

采用鋼蓋梁+拉拔裝置加固后，支座始終保持受壓狀態(tài)，未發(fā)生脫空，特征狀態(tài)1滿足規(guī)范要求，如表3所示；最小抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為3，特征狀態(tài)2滿足規(guī)范要求，如表4所示。

表3 特征狀態(tài)1 驗(yàn)算結(jié)果

表4 特征狀態(tài)2 驗(yàn)算結(jié)果

4.3 鋼支撐局部驗(yàn)算

采用有限元計(jì)算支座間距1.4m鋼支承，鋼板最大受力強(qiáng)度239MPa，小于Q420鋼材380MPa要求，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 鋼支承靜力分析結(jié)果圖（MPa）

4.4 拉拔裝置驗(yàn)算

由于該橋2號(hào)墩～5號(hào)墩為固結(jié)墩，且處于曲線上，為防止該橋出現(xiàn)不滿足特征狀態(tài)1的情況，特在橋臺(tái)處設(shè)置了抗拉拔裝置。整體計(jì)算得知，該橋橋臺(tái)處最大脫空力為49.5kN，該橋設(shè)置的拉拔裝置可抵抗500kN拉拔力，現(xiàn)按照500kN拉拔力計(jì)算驗(yàn)證裝置，結(jié)果如圖6所示。

圖6 拉拔裝置靜力分析結(jié)果圖（MPa）

4.5 橫隔梁驗(yàn)算

由于底板橫隔梁經(jīng)加固后，由單支點(diǎn)受力轉(zhuǎn)化為三支點(diǎn)，改變了橫隔梁受力方式，因此驗(yàn)算需要底板橫隔梁。

該橋以跨中斷面控制計(jì)算，安全等級(jí)為I級(jí)。計(jì)算模型如圖7所示，共劃分為16個(gè)單元、17個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算中，筆者考慮了結(jié)構(gòu)自重、橫向預(yù)應(yīng)力、二期恒載、均勻溫度（升溫25°C，降溫25°C）、梯度溫度（橋面板上下側(cè)溫差5°C）、收縮徐變、汽車荷載（計(jì)入沖擊系數(shù)為1.2），計(jì)算中未考慮主梁縱向?qū)M向內(nèi)力的影響，計(jì)算工況如表4所示。

圖7 加固前后底板橫隔梁支承方式

表4 各工況下車輪荷載值

4.5.1 加固后三支點(diǎn)極限承載力驗(yàn)算

加固后橫隔板處改成三支點(diǎn)受力，橫隔板彎矩包絡(luò)圖如圖8所示，抗彎承載力極限滿足規(guī)范要求。

圖8 加固后橫隔板彎矩包絡(luò)圖（KN.m）

4.5.2 加固后三支點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力組合驗(yàn)算

加固后橫隔板標(biāo)注組合下應(yīng)力包絡(luò)圖如圖9所示，應(yīng)力驗(yàn)算跨中出現(xiàn)最大拉應(yīng)力0.6Mpa，小于C50混凝土開裂強(qiáng)度1.89Mpa，滿足規(guī)范要求。

圖9 加固后下緣應(yīng)力圖（MPa）

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)部分地區(qū)的獨(dú)柱墩橋梁因建設(shè)較早且存量較大，在建設(shè)過程中沒有采取有效對(duì)策，致使其中一些獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆性能達(dá)不到現(xiàn)行規(guī)范要求，獨(dú)柱墩橋梁總體抗傾覆能力還有待提高。因此，加強(qiáng)對(duì)獨(dú)柱墩橋梁養(yǎng)護(hù)管理，對(duì)現(xiàn)役和在建公路獨(dú)柱墩橋梁開展一次全面排查，保障獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)行安全應(yīng)是橋梁養(yǎng)護(hù)管理人員重點(diǎn)關(guān)注的問題。本文分析了獨(dú)柱墩橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及橫向傾覆原因，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合工程實(shí)例，提出了獨(dú)柱墩抗傾覆加固方案，驗(yàn)算了加固后橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性和局部構(gòu)造，可為同類型工程提供有效借鑒。