獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性分析及加固設(shè)計(jì)

陳建華，熊志洪

（1.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310006;2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310000）

獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性分析及加固設(shè)計(jì)

陳建華1，熊志洪2

（1.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310006;2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310000）

近年來(lái)，獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋在超載和偏載情況下發(fā)生多起傾覆坍塌事故。結(jié)合工程實(shí)例，在原規(guī)范設(shè)計(jì)荷載基礎(chǔ)上適當(dāng)提高驗(yàn)算荷載，以驗(yàn)算在役獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性，并有針對(duì)性地提出加固措施。

獨(dú)柱墩橋梁；抗傾覆；加固設(shè)計(jì)

0 引言

獨(dú)柱墩橋梁具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形美觀、占用橋下空間小等多方面的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，在城市立交橋和高速公路匝道橋中得到了廣泛應(yīng)用。但由于獨(dú)柱墩墩頂較窄，橫橋向往往設(shè)置單支點(diǎn)支撐，在汽車偏心荷載作用下，獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋的橫向抗傾覆穩(wěn)定非常不利。近幾年，這種結(jié)構(gòu)形式的橋梁在超載和偏載情況下已發(fā)生多起傾覆事故。本文結(jié)合工程實(shí)例，在原規(guī)范設(shè)計(jì)荷載基礎(chǔ)上適當(dāng)提高驗(yàn)算荷載，以驗(yàn)算在役獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性，并有針對(duì)性地提出加固措施[1-5]。

1 工程概況

某樞紐A匝道橋第二聯(lián)為鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋，配跨為16 m+4×19 m+15.57 m，橋?qū)?.5 m，位于半徑R=55 m的曲線段，4、7、10號(hào)墩采用雙柱式橋墩、雙支座，其余橋墩采用獨(dú)柱式橋墩、單支座；D匝道橋第一聯(lián)為鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋，配跨為4×20 m，橋?qū)?.0 m，位于半徑R=280 m的曲線段，1、5號(hào)墩采用雙柱式橋墩、雙支座，其余橋墩采用獨(dú)柱式橋墩、單支座；F匝道橋第一聯(lián)為鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋，配跨為19.527 m+4×20 m，橋?qū)?.25 m，位于半徑R=60 m的曲線段，1、6號(hào)墩采用雙柱式橋墩、雙支座，其余橋墩采用獨(dú)柱式橋墩、單支座。

2 驗(yàn)算荷載選取

對(duì)國(guó)內(nèi)多起獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋坍塌事故進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)橋梁坍塌時(shí)，均有好幾輛超載車同時(shí)行駛于橋梁一側(cè)。針對(duì)這一交通現(xiàn)狀，除了加強(qiáng)“治超”外，對(duì)橋梁進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)不能采用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)荷載。本次驗(yàn)算的汽車荷載分別采用浙江省公路管理局文件中規(guī)定的獨(dú)柱墩抗傾覆驗(yàn)算汽車荷載的3種工況。

工況1：《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）規(guī)定的公路—Ⅰ級(jí)荷載。

工況2：1.3倍公路—Ⅰ級(jí)車道荷載。

計(jì)算支座反力時(shí)，均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk應(yīng)乘以1.3的系數(shù)，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值Pk應(yīng)乘以1.3的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，按實(shí)際的車道數(shù)進(jìn)行加載。

工況3：重車（1.2倍標(biāo)準(zhǔn)荷載）自定義車輛荷載。

考慮車輛超載情況，按如下模擬車輛荷載車道：按1.2倍的規(guī)范55 t車輛荷載進(jìn)行加載計(jì)算，車隊(duì)縱向兩車的前后輪輪距為10 m，按實(shí)際的車道數(shù)進(jìn)行加載。

3 原結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

3.1 驗(yàn)算模型

由于驗(yàn)算重點(diǎn)在于各工況下支座反力情況，因此平面計(jì)算軟件不適用，應(yīng)采用空間桿系有限元軟件。筆者選用國(guó)內(nèi)較常用的橋梁軟件Midas Civil分別對(duì)這3聯(lián)獨(dú)柱墩連續(xù)彎梁橋進(jìn)行驗(yàn)算。具體模型見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 A匝道橋第二聯(lián)計(jì)算模型

圖2 D匝道橋第一聯(lián)計(jì)算模型

圖3 F匝道橋第一聯(lián)計(jì)算模型

3.2 驗(yàn)算結(jié)果及分析

橋梁的橫向穩(wěn)定性計(jì)算包括支座脫空計(jì)算和抗傾覆系數(shù)計(jì)算。橋梁的傾覆過(guò)程是在汽車荷載作用下，單向受壓支座依次脫空，由于邊界條件失效而失去平衡的過(guò)程。橋梁的抗傾覆系數(shù)即抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值，兩者分別為成橋支反力和汽車活載對(duì)傾覆軸線的彎矩值。

（1）支座反力

按工況1～3活載條件進(jìn)行計(jì)算，考慮橋梁恒載、整體升降溫、局部溫差、支座不均勻沉降等方面的影響，得到各荷載組合作用下各墩支座的最小反力，其中組合1、2、3分別表示包含工況1、2、3的最不利荷載組合，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1～表3。

由表1知，A匝道橋第二聯(lián)，在組合2作用下，4、10號(hào)墩的內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)了負(fù)反力；在組合3作用下，4、7、10號(hào)墩的內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)了負(fù)反力。由表2知，D匝道橋第一聯(lián)，在組合3作用下，0號(hào)臺(tái)和4號(hào)墩的內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)了負(fù)反力。由表3知，F(xiàn)匝道橋第一聯(lián)，在組合1、2、3作用下，0號(hào)臺(tái)和5號(hào)墩的內(nèi)側(cè)支座均出現(xiàn)了負(fù)反力。

（2）抗傾覆系數(shù)

沿最不利的傾覆軸線，A匝道橋第二聯(lián)在組合1、2、3作用下的抗傾覆系數(shù)分別為 2.97、2.51、2.30；D匝道橋第一聯(lián)在組合1、2、3作用下的抗傾覆系數(shù)分別為2.09、1.67、1.34；F匝道橋第一聯(lián)在組合 1、2、3作用下的抗傾覆系數(shù)分別為 2.46、2.00、1.58。

表1 A匝道橋第二聯(lián)各墩支座最小反力計(jì)算結(jié)果

表2 D匝道橋第一聯(lián)各墩支座最小反力計(jì)算結(jié)果

表3 F匝道橋第一聯(lián)各墩支座最小反力計(jì)算結(jié)果 kN

4 加固措施

4.1 加固方案

本次加固設(shè)計(jì)主要為提高橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性，采用增加支座的方式比較有效。A匝道橋第二聯(lián)采用端橫梁加寬的方式加固治理（見(jiàn)圖4）：在端橫梁處向橫向兩側(cè)各加寬1.25 m，新增梁體下各設(shè)一個(gè)支座，新增支座與原有支座橫向間距1.25 m。D匝道橋第一聯(lián)采用新增獨(dú)柱墩小蓋梁的方式加固治理（見(jiàn)圖5）：在獨(dú)柱墩頂部橫橋向各拼寬一個(gè)橫橋向長(zhǎng)1.25 m，豎向高1.4 m，縱橋向?qū)?.8 m的蓋梁，兩側(cè)新增小蓋梁上各設(shè)一個(gè)支座，新增支座與原支座橫向間距1.25 m。F匝道橋第一聯(lián)采用拼寬墩柱的方式加固治理（見(jiàn)圖6）：處理后橫向墩柱寬度為4.4 m，柱頂橫向各增設(shè)一個(gè)支座，新增支座與原有支座橫橋向間距為1.4 m。

圖4 A匝道橋第二聯(lián)加固方案

圖5 D匝道橋第一聯(lián)加固方案

圖6 F匝道橋第一聯(lián)加固方案

考慮到橋梁交通繁忙，抗傾覆加固施工時(shí)盡量保證橋梁正常運(yùn)營(yíng)，新增支座與原橋間采用粘鋼調(diào)平層處理。因此新增支座不承受原橋恒載，僅承受橋梁活載，新增支座為只受壓支座。

4.2 加固效果分析

經(jīng)加固處理并增設(shè)支座后，A匝道橋第二聯(lián)僅在組合3作用下，端支座出現(xiàn)支座負(fù)反力，其數(shù)值比加固前小得多；D匝道橋第一聯(lián)和F匝道橋第一聯(lián)在組合1、2、3作用下均未出現(xiàn)支座負(fù)反力；各橋沿最不利的傾覆軸線的傾覆系數(shù)也比加固前要大不少。從分析結(jié)果可知，在抗傾覆加固處理中，采用增設(shè)支座是比較有效果的。

（1）支座反力

考慮新增支座后，各橋的支反力詳見(jiàn)表4～表6。

表4 A匝道橋第二聯(lián)（加固后）各墩支座最小反力計(jì)算結(jié)果 kN

表5 D匝道橋第一聯(lián)（加固后）各墩支座最小反力計(jì)算結(jié)果 kN

表6 F匝道橋第一聯(lián)（加固后）各墩支座最小反力計(jì)算結(jié)果 kN

由表4知，端橫梁加寬并增設(shè)支座后，A匝道橋第二聯(lián)，在組合3作用下，4、7號(hào)墩的內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)了負(fù)反力，其4號(hào)墩內(nèi)側(cè)支座的負(fù)反力比加固前小得多。由表5知，獨(dú)柱墩兩側(cè)新增小蓋梁并加設(shè)支座后，D匝道橋第一聯(lián)，在組合1、2、3作用下，墩臺(tái)支座均未出現(xiàn)負(fù)反力。由表6知，墩柱拼寬并增設(shè)支座后，F(xiàn)匝道橋第一聯(lián)，在組合1、2、3作用下，墩臺(tái)支座均未出現(xiàn)負(fù)反力。

（2）抗傾覆系數(shù)

經(jīng)加固處理并增設(shè)支座后，沿最不利的傾覆軸線，A匝道橋第二聯(lián)在組合1、2、3作用下的抗傾覆系數(shù)分別為3.28、2.79、2.62；D匝道橋第一聯(lián)在組合1、2、3作用下的抗傾覆系數(shù)分別為3.19、2.68、2.49；F匝道橋第一聯(lián)在組合1、2、3作用下的抗傾覆系數(shù)分別為3.25、2.77、2.75。

5 結(jié)語(yǔ)

獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋具有較多優(yōu)點(diǎn)，并在城市立交橋和高速公路匝道橋中得到了廣泛應(yīng)用。但由于獨(dú)柱墩單支座的存在，這種橋型的橫向抗傾覆穩(wěn)定性較為不利。本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)某樞紐現(xiàn)役的3聯(lián)獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋進(jìn)行了抗傾覆驗(yàn)算，并提出了相應(yīng)的加固處理措施，可為同類工程的抗傾覆驗(yàn)算和加固處理提供借鑒。

[1]JTG D60-2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]浙江省公路管理局.浙公路[2009]102號(hào) 關(guān)于開(kāi)展?fàn)I運(yùn)公路獨(dú)柱式橋墩橋梁穩(wěn)定性驗(yàn)算復(fù)核工作的通知[Z].2009

[3]汪芳芳,徐祖恩,嚴(yán)偉飛.獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆安全分析及加固設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,15(4):13-18

[4]許東風(fēng),吳連勛.獨(dú)柱墩連續(xù)彎梁橋抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算方法及加固措施[J].公路交通技術(shù),2015(4):89-93.

[5]張海偉,嚴(yán)偉飛,史錦飛.獨(dú)柱墩式連續(xù)梁橋抗傾覆分析及加固設(shè)計(jì)[J].浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2015,16(1):5-7.

U441

B

1009-7716（2017）04-0084-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.025

2017-02-09

陳建華（1982-），男，浙江臨海人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。