辜友平,劉 偉,宋松科
(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610017)
箱梁結(jié)構(gòu)是一種常見的結(jié)構(gòu)形式,廣泛應(yīng)用于公路匝道、市政高架、立交樞紐中。在早期的設(shè)計(jì)中,下部橋墩采用獨(dú)柱墩較為常見,部分橋梁在跨中連續(xù)設(shè)置獨(dú)柱墩。自2007 年以來,國內(nèi)相繼發(fā)生獨(dú)柱墩橋梁傾覆倒塌事故,影響十分嚴(yán)重且?guī)韽V泛的社會(huì)輿論。鑒于此,相關(guān)學(xué)者對獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行了事故調(diào)研并進(jìn)行了系統(tǒng)分析,莊冬利[1]對比了國內(nèi)外橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范,對偏載下箱梁橋的抗傾覆計(jì)算提出了討論;曹景等[2]對箱型截面梁橋基于力學(xué)原理推導(dǎo)出計(jì)算抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的簡化公式,并研究了不同曲線半徑橋梁的抗傾覆能力;彭衛(wèi)兵等[3-5]研究了獨(dú)柱墩橋梁的傾覆破壞模式并提出了抗傾覆承載力計(jì)算方法;王文龍等[6]對支座布置形式對曲線橋梁抗傾覆能力進(jìn)行了探討。隨著研究的深入,獨(dú)柱墩箱梁橋傾覆原理一步步被揭示,18 版《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](下稱《橋規(guī)》)在這些研究的基礎(chǔ)上對抗傾覆驗(yàn)算提出了新的要求。現(xiàn)依托某公路匝道橋,依據(jù)新版《橋規(guī)》對其進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算并進(jìn)行抗傾覆加固設(shè)計(jì)。
某匝道橋平面布置如圖1 所示,該橋上部結(jié)構(gòu)為(3×20)m+(4×20)m 普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁,橋面寬度為9 m,箱梁底寬5 m,平面位于R=53.5 m、Ls=80 m 的圓曲線及緩和曲線上。設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級,其中第一聯(lián)1#、2# 橋墩為連續(xù)獨(dú)柱墩,1#、2#橋墩處支座預(yù)偏心20 cm,1# 墩墩高7.5 m,2# 墩墩高14.5 m,原設(shè)計(jì)在1# 墩處設(shè)置固定支座,2# 墩處設(shè)置單向活動(dòng)支座。按照《橋規(guī)》計(jì)算,第一聯(lián)抗傾覆安全系數(shù)為1.7,不滿足規(guī)范要求,需要對其進(jìn)行抗傾覆加固設(shè)計(jì)。
圖1 匝道橋平面布置圖(單位:cm)
獨(dú)柱墩抗傾覆加固可采用多種方法[8],例如:增設(shè)抗拔銷,獨(dú)柱墩處增設(shè)蓋梁,增設(shè)墩柱或外包墩柱以增設(shè)支座等形式。這些方法的原理均是將原獨(dú)柱墩處單支承改為雙支承或多支承,同一橋墩上的橫向雙支座即可以形成“抗扭支撐”,使抗扭跨徑也得到減小,進(jìn)而增大結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能。上述方案中增設(shè)抗拔銷對提高結(jié)構(gòu)抗傾覆能力有限;增設(shè)墩柱或增大墩柱尺寸可靠性好,適合橋?qū)捿^大的橋梁,但此類方案需要新增承臺(tái)或樁基,成本較高。匝道橋一般橋?qū)捿^小且橋下凈空有限,因此結(jié)合橋位處地形條件及造價(jià)的因素,匝道橋采用增設(shè)蓋梁改為多支承的加固方法更為合適。新增蓋梁可采用鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)兩種形式,鋼筋混凝土蓋梁與橋墩的結(jié)合需要采用植筋的方式。為了滿足受力性能,通常鋼筋混凝土蓋梁需要采用較大的尺寸,植筋并澆筑混凝土過程復(fù)雜且工期較長,而鋼結(jié)構(gòu)蓋梁相比之下則可采用較小的尺寸,鋼結(jié)構(gòu)可在工廠預(yù)制,運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行吊裝安裝。鋼結(jié)構(gòu)與混凝土立柱之間通常采用錨栓進(jìn)行連接,錨栓與鋼結(jié)構(gòu)受力都較為清晰,能夠保證二者之間的可靠連接,因此鋼結(jié)構(gòu)蓋梁是推薦的連接形式。該橋加固方案選用的鋼結(jié)構(gòu)蓋梁構(gòu)造如圖2 所示,鋼蓋梁橫橋向長度與箱梁底同寬,高度為1.5 m,頂板、腹板及鋼套筒板厚24 mm,腹板加勁肋板厚16 mm,鋼蓋梁下抱箍厚30 mm。
圖2 鋼蓋梁構(gòu)造圖
鋼蓋梁加固的施工順序?yàn)椋?/p>
(1)在工廠分成兩個(gè)半結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工制作并進(jìn)行涂裝,根據(jù)墩柱與箱梁的相對位置確定墊石厚度并澆筑支座墊石。
(2)在墩柱上探明主筋位置后進(jìn)行錨栓孔定位、鉆孔、清孔,在鋼蓋梁下抱箍相應(yīng)位置進(jìn)行開孔。
(3)鋼混結(jié)合面除銹后,安裝鋼蓋梁下抱箍(可先安裝好支座),緊固鋼套筒兩側(cè)拼接螺栓。
(4)現(xiàn)場將鋼蓋梁下抱箍半結(jié)構(gòu)焊接成整體。
(5)安裝錨栓,并安裝螺帽;螺帽擰緊后,罩上半球型裝飾蓋。
(6)鋼蓋梁下抱箍完成安裝后,類比(3)、(4)工序完成鋼蓋梁安裝。
(7)現(xiàn)場將鋼蓋梁與下抱箍焊接成一體。
(8)對焊接成整體的鋼蓋梁鋼混結(jié)合面進(jìn)行壓力注漿。
(9)安裝梁底調(diào)平塊,在新增支座與梁底之間壓注高流態(tài)環(huán)氧灌注填充料,保證支座與調(diào)平鋼板之間密貼。
該加固方案不進(jìn)行支座頂升,不改變原支座的受力狀態(tài),恒載仍由原支座承受,當(dāng)上部偏載時(shí),新增支座開始受力,提供抗傾覆力矩。該方法施工簡便且對原結(jié)構(gòu)影響較小。
根據(jù)上述加固方案及原理,建立加固計(jì)算有限元模型。新增支座為圓形滑板式橡膠支座,只考慮承受豎向力。汽車偏載時(shí),新增支座只有一側(cè)受力,另一側(cè)支座不起支承作用。有限元模型建立時(shí)只考慮受力側(cè)支座,車輛外偏時(shí)忽略新增內(nèi)側(cè)支座,車輛內(nèi)偏時(shí)忽略新增外側(cè)支座。加固橋墩可選擇中間單墩加固和中間雙墩加固。加固計(jì)算中,車輛偏載按實(shí)際車道布載。計(jì)算傾覆系數(shù)時(shí),規(guī)范中明確需按照標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計(jì)算。因此,涉及到橋梁傾覆的荷載工況均需考慮,該橋考慮整體升降溫、梯度溫度、離心力、沖擊力、風(fēng)荷載作用,支座間距結(jié)合梁底寬度與原支座位置盡可能拉大。雙墩加固外側(cè)傾覆工況有限元模型如圖3 所示。
圖3 典型工況有限元模型
按照《橋規(guī)》對上述加固工況進(jìn)行特征狀態(tài)1 和特征狀態(tài)2 驗(yàn)算,驗(yàn)算結(jié)果如表1 所列。
表1 加固方案驗(yàn)算結(jié)果表
由表1 可知,對于該橋,加固單墩時(shí),對于內(nèi)側(cè)傾覆工況,曲線外側(cè)支座容易出現(xiàn)負(fù)反力,且特征狀態(tài)2 下抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)不能滿足規(guī)范要求。對雙墩同時(shí)加固時(shí),抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)相比單墩加固能提高1 倍左右,因此,針對該案例,雙墩加固更加安全可靠。對于不同曲線半徑的橋梁,可能僅加固1 處橋墩即可達(dá)到規(guī)范要求,需要結(jié)合實(shí)際情況具體分析。
新增支座后,上部偏載會(huì)對橋墩產(chǎn)生偏心作用,需對橋墩進(jìn)行承載力驗(yàn)算,有限元模型如圖4 所示,計(jì)算結(jié)果如表2 所列。
表2 墩柱驗(yàn)算結(jié)果表
圖4 橋墩驗(yàn)算有限元模型
偏載作用下,需對鋼蓋梁進(jìn)行驗(yàn)算,采用ansys對鋼蓋梁進(jìn)行實(shí)體建模,約束鋼蓋梁套筒,提取偏載下新增支座處支反力作用于鋼蓋梁上,計(jì)算模型如圖5 所示。
圖5 鋼蓋梁有限元模型
由上述計(jì)算結(jié)果可知,新增支座后針對偏載情況,橋墩承載力仍滿足要求,鋼蓋梁局部最大von-mises應(yīng)力點(diǎn)位于新增支座位置,數(shù)值為160.31 MPa,其余位置應(yīng)力均處于較低水平,同時(shí)錨栓的抗拉、抗剪、鋼板的穩(wěn)定性均能達(dá)到要求。
(1)結(jié)合工程實(shí)際,對某連續(xù)箱梁進(jìn)行了抗傾覆加固設(shè)計(jì),介紹了一種增設(shè)鋼蓋梁改多支承的加固方式。該方法施工簡便,不改變恒載作用下原結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),可靠性較好。
(2)通過計(jì)算不同墩處進(jìn)行增設(shè)蓋梁加固并同時(shí)考慮外側(cè)和內(nèi)側(cè)兩種傾覆工況,顯示該案例僅在中間單墩增設(shè)蓋梁不能滿足抗傾覆要求,在中間雙墩增設(shè)蓋梁變多支承以后,抗傾覆性能得到顯著提高。
(3)加固后驗(yàn)算了偏載作用下橋墩和鋼蓋梁的承載力,均能滿足要求,證明了此方案的安全性。