橋梁結構加固設計安全性分析

李 錚，林 波

（1.江西省撫州贛東公路設計院，江西 撫州 344000；2.江西省撫州市交通局質監站，江西 撫州 344000）

0 引言

某高速主線跨徑布置為（22＋19.3＋19.3＋22）m預應力砼連續箱梁橋，平面位于A—135的左偏緩和曲線及R＝150m的左偏圓曲線上，滿堂支架整體現澆施工。橋梁箱梁頂板橫向寬10.5m，箱底寬3.5m，翼緣懸臂長2.0m，箱梁梁高1.5m，頂底板厚25cm，腹板從跨中至橫梁部位從50cm過渡到70cm；箱梁中支點設2.0m寬的中橫隔梁，梁端設1.5m寬的端橫隔梁。

鑒于本橋運營階段可能出現的支座脫空情況，著重考慮通過支座的間距調整及偏心支座的設置解決支座脫空問題。2號橋墩布置于高速公路中央分隔帶區域，受空間限制采用了獨柱墩單支座的形式。上述計算結果也顯示該支座規格滿足要求，故加固試算過程按2號橋墩支座布置不變進行計算。1號、3號橋墩橫橋向寬度僅2.5m，沒有繼續加大雙支座間距的空間，但可考慮采用偏心單支座。0號、4號橋臺支座間距布置主要受箱梁橫梁的受力要求控制，其余影響因素較少。

1 結構計算離散圖

本橋加固方案可利用橋臺支座間距的調整及1號、3號橋墩單支座偏心的設置改善結構受力，避免支座脫空。經過調試計算，0號、4號橋臺支座間距調整為4.2m，1號、3號墩支座向外圓弧側偏心0.45m，則橋臺內外側支座均未出現負反力。為使支座橫橋向受力滿足要求，1號、3號墩橫向按約束、活動分別計算，主梁離散為空間梁單元，采用MIDAS進行計算分析。

鋼絞線：Φs15.2低松弛預應力鋼絞線，標準強度fpk＝1860MPa，彈性模量Ep＝1.95×105MPa，錨下控制張拉應力σcon＝0.75×fpk＝1395MPa，錨具變形與鋼束回縮值（一端）ΔL＝6mm，管道摩阻系數μ＝0.25，管道偏差系數κ＝0.0015。一期恒載：按實際斷面尺寸計重量，箱梁混凝土容重按26kN／m3取值，橫隔梁按集中力施加在結構上，考慮內外弧不等長引起的自重均布扭矩為7.46kN·m／m。二期恒載：瀝青砼22.8kN／m，鋼護欄按單側7kN／m，二期恒載合計36.8kN／m，考慮內外弧不等長引起的二期恒載均布扭矩3.19kN·m／m。計算支承反力考慮公路—Ⅰ級、1.3倍公路—Ⅰ級、55t重車三種工況，結構承載力、抗裂驗算等按公路—Ⅰ級計算。體系升、降溫作用按照＋25℃，－25℃考慮取值；梯度溫差按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2004）4.3.10條規定的梯度溫度計算，日照正溫差T1采用14℃，T2采用5.5℃，日照反溫差T1采用-7℃，T2采用-2.75℃。

考慮到國內匝道上彎橋，頻頻出現的超載、傾覆事故，本橋汽車荷載取值考慮如下三種狀況：

a）按規范標準車道荷載驗算結構極限承載力和正常使用極限狀態；

b）按規范標準1.3倍車道荷載驗算支點反力；

c）按規范標準1.2倍55t車輛、前后車輛輪距10m荷載驗算支點反力。

主梁結構離散如圖1所示。

圖1 主梁結構離散圖

結構離散為58個單元，68個節點，其中第52～58、65、67節點為支承節點。節點約束情況按設計圖紙的支座布置一致，中墩為獨柱固定約束、邊墩及橋臺為橫向間距1.5m的雙支承，縱向均為活動，內弧橫向為約束，外弧橫向釋放，所有支承未設橫向偏心。

2 計算結果分析

2.1 支承反力分析

通過對橋梁運營階段最大／最小支座反力計算分析可知，圓弧內側支座在三種工況下均可能出現負反力，即在運營階段活載作用下可能出現支座脫空現象。同時，1號、3號墩支座設計規格為GPZ（Ⅱ）4.0DX／SX，不滿足受力要求，支座橫向水平力過大，遠遠超過10%支座豎向承載力。因此，有必要對本橋支座設置進行調整，具體方案詳見加固計算報告。

2.2 上構箱梁持久狀況承載能力極限狀態計算

如圖2～圖5所示，箱梁在使用階段正截面抗彎承載力的計算結果顯示，所有截面正截面抗彎承載力滿足規范要求。箱梁在使用階段斜截面抗剪承載力的計算結果顯示，上構箱梁在使用階段斜截面抗剪承載力滿足規范要求。箱梁在使用階段抗扭承載力的計算結果顯示，上構箱梁在使用階段抗扭承載力滿足規范要求。

2.3 上構箱梁正常使用極限狀態計算

箱梁在正常使用極限狀態下正截面壓應力計算，規范限值：σkc+σpt≤0.5fck=16.2MPa。經計算，使用階段箱梁正截面最大壓應力為10.6MPa（28號節點），規范限值不超過0.5fck＝16.2MPa，滿足規范要求。箱梁在正常使用極限狀態下混凝土主壓應力計算，規范限值：σcp≤0.6fck=19.44MPa，使用階段箱梁斜截面最大主壓應力為10.6MPa（28號節點），規范限值不超過0.6fck＝19.44MPa，滿足規范要求。

對箱梁正截面抗裂計算，A類預應力混凝土構件計算，結構短期效應組合下應力應滿足：

使用階段主梁各單元在短期效應組合下最大拉應力為1.2MPa（梁端1號、50號節點），在長期效應組合下沒有出現拉應力，滿足規范A類預應力混凝土構件要求。

2.4 箱梁斜截面抗裂計算

按A類預應力混凝土構件計算，規范限值：σtp≤0.5ftk＝1.325MPa。 短期效應組合下，最大主拉應力為1.2MPa（梁端1號、50號節點），滿足規范斜截面抗裂要求。短期狀況應力計算主要對構件在預應力和自重等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應力進行計算。

其中，計算抗壓容許應力時取用的施工階段混凝土的抗壓強度標準值取′=0.8fck。

2.5 設計抗傾覆系數驗算

根據本橋支座布置情況，考慮到旋轉線外弧側橋面面積越大越易傾覆，得出最不利發生傾覆線（如圖6所示）應為1號墩外側支座中心與2號墩支座中心的連線或3號墩外側支座中心與2號墩支座中心的連線，由于本橋左右對稱，故僅需驗算其中一種。

圖6 最可能傾覆線示意圖

箱梁繞假定的最易傾覆的兩個支點連線旋轉軸，即將傾覆階段，僅1號墩外側支座及2號墩支座受力，計算模型在僅保留旋轉軸上這兩個支座，同時考慮到傾覆實際上就是向圓弧內外兩側的扭矩有差異而產生的，可在兩支座連線中間施加一個抗扭約束，支座連線作為三個支座局部坐標軸中的X軸。通過查看該約束在恒載、活載等作用下的扭矩即可計算出結構傾覆和抗傾覆力矩，進而得到抗傾覆穩定系數。抗傾覆系數由向圓弧內側的扭矩值／向圓弧外側的扭矩值計算得出，計算表明結構整體抗傾覆穩定系數滿足要求。

3 結語

經過對本橋梁的計算分析，結果表明圓弧內側支座在三種荷載汽車荷載標準下均出現脫空。支座橫向反力超過豎向承載力的10%，1號、3號墩外弧支座反力超過承載力。主梁正截面抗彎、斜截面抗剪、截面抗扭承載力滿足規范要求。主梁正截面抗裂、斜截面抗裂滿足規范關于A類預應力混凝土構件的要求。主梁正截面壓應力、斜截面主壓應力、鋼束拉應力，均滿足規范要求。施工階段主梁截面法向壓應力、拉應力均滿足規范要求，表明對本橋梁采取的加固措施合理，可滿足橋梁使用安全要求。

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