一種橋梁抗傾覆分析及加固的方法

潘　迪，李慶擇，冀　健

（1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京市 100082；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京市 100088）

0　引言

近年來(lái)大量市政和公路橋梁都采用了獨(dú)柱墩接主梁的結(jié)構(gòu)形式，因其具有輕巧、纖細(xì)、美觀的建筑效果。但是由于獨(dú)柱橋的下部支撐點(diǎn)只集中于主梁下的某一局部位置，因此容易引起上部結(jié)構(gòu)整體傾覆的問(wèn)題，全國(guó)各地已發(fā)生多起此類(lèi)橋梁的側(cè)傾、側(cè)滑、傾覆事故。因此對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研究，具有重要意義。

本文通過(guò)篩選橋梁結(jié)構(gòu)形式、跨徑組合、設(shè)計(jì)年代、設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)、平曲線半徑、邊墩類(lèi)型、邊墩支座類(lèi)型及支座間距、中墩支座類(lèi)型、橋面寬與邊支座間距比、車(chē)行道寬、箱室底寬等能體現(xiàn)橋梁傾覆穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，在哈爾濱某立交橋中確定抗傾覆分析對(duì)象后，根據(jù)北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司2009年的工作成果，定義兩種臨界傾覆狀態(tài)進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性分析。通過(guò)施加最不利橫向活荷載，分析橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性，并提出采用抗拉設(shè)施的加固處理方案，使獨(dú)柱橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性能得到有效加強(qiáng)。

1　工程概況

1.1　哈爾濱某立交介紹

立交由A#、B#、C#和D#橋四部分組成。A#與B#橋?yàn)榱⒔坏牡谌龑樱珻#與D#橋?yàn)榱⒔坏牡诙印#橋A0～A9墩為兩聯(lián)簡(jiǎn)支空心板梁結(jié)構(gòu)，A9～A12墩為異形連續(xù)箱梁，A12～A16墩、A16～A20墩為兩聯(lián)變寬度連續(xù)箱梁，A20～A26墩為簡(jiǎn)支空心板梁結(jié)構(gòu)；B#橋A12～B2墩為連續(xù)箱梁，B2～B13墩為兩聯(lián)簡(jiǎn)支空心板梁結(jié)構(gòu)；C#橋C0～A12墩為異形連續(xù)箱梁，A12～C7墩為連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)；D#橋D0～D3墩為連續(xù)箱梁，D3～D7墩為簡(jiǎn)支空心板梁結(jié)構(gòu)。橋梁連續(xù)箱梁下部結(jié)構(gòu)為獨(dú)柱或雙柱，下接承臺(tái)樁基結(jié)構(gòu)。在公用墩D0及A16墩為隱蓋梁接墩柱再接承臺(tái)樁基。A12墩為雙層蓋梁結(jié)構(gòu)，上層蓋梁架起A#、B#橋，下層蓋梁架起C#橋，蓋梁下接墩柱承臺(tái)樁基；空心板梁下部結(jié)構(gòu)為倒T形蓋梁，除A20～A25墩蓋梁下為雙柱-柱下接樁基，橫向用系梁連接外，其余隱蓋梁下均為獨(dú)柱或雙柱，柱下接承臺(tái)樁基結(jié)構(gòu)。A0、B13、D7邊墩為重力式橋臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)，A26、C0、C7邊墩為重力式橋臺(tái)樁基結(jié)構(gòu)。總平面示意圖如圖1所示。

對(duì)比橋梁結(jié)構(gòu)形式、跨徑組合、設(shè)計(jì)年代、設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)、平曲線半徑、邊墩類(lèi)型、邊墩支座類(lèi)型及支座間距、中墩支座類(lèi)型、橋面寬與邊支座間距比、車(chē)行道寬、箱室底寬等參數(shù)，總結(jié)結(jié)構(gòu)整體特點(diǎn)，并考察各橋抗傾覆能力，見(jiàn)表1。總體來(lái)看，從經(jīng)驗(yàn)分析，中墩固結(jié)比中墩鉸接抗傾覆能力大，橋面寬與邊支座間距比小的抗傾覆能力大。故需要重點(diǎn)復(fù)查超載抗傾覆能力的獨(dú)柱鉸接支承結(jié)構(gòu)有五聯(lián)橋。

本文重點(diǎn)介紹A12～B2、A12～C7兩聯(lián)橋，橋梁的平面圖如圖2和圖3所示。

圖1　哈爾濱某立交總平面示意圖（單位：cm）

表1　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)總結(jié)

圖2　A12～B2墩平面圖（單位：cm）

圖3　A12～C7墩平面圖（單位：cm）

2　橋梁傾覆的臨界狀態(tài)

北京市政院的研究成果對(duì)橋梁傾覆的臨界狀態(tài)定義如下。

2.1　中墩全部采用支座的獨(dú)柱支承梁式橋

中墩鉸接獨(dú)柱支承梁式橋的傾覆破壞均首先表現(xiàn)為邊墩支座脫空，然后出現(xiàn)中墩支座轉(zhuǎn)角超限，最終發(fā)生結(jié)構(gòu)整體傾覆。雖然中墩支座轉(zhuǎn)角超限后，結(jié)構(gòu)并沒(méi)有整體傾覆，但結(jié)構(gòu)狀態(tài)已很難把握，計(jì)算模擬困難，因此為保證結(jié)構(gòu)安全、便于實(shí)際操作，將結(jié)構(gòu)傾覆過(guò)程中結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化的兩個(gè)確定狀態(tài)，即邊墩支座出現(xiàn)脫空和中墩支座轉(zhuǎn)角達(dá)到0.03 rad作為中墩鉸接獨(dú)柱支承梁式橋的傾覆臨界狀態(tài)，其中邊墩支座出現(xiàn)脫空為第一傾覆臨界狀態(tài)，中墩支座轉(zhuǎn)角達(dá)到0.03 rad為第二傾覆臨界狀態(tài)。

2.2　有固結(jié)墩柱的獨(dú)柱支承梁式橋

對(duì)于采用中墩固結(jié)的獨(dú)柱支承的梁式橋，在偏心荷載作用下，隨著主梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的增加，墩柱及基礎(chǔ)所受橫向彎矩及水平剪力逐漸增大，當(dāng)其內(nèi)力超出其承載力時(shí)，墩柱或基礎(chǔ)發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致主梁傾覆。因此將固結(jié)墩承載力達(dá)到限值時(shí)作為此類(lèi)橋梁傾覆臨界狀態(tài)。

獨(dú)柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)可按如下方法計(jì)算：

式中：k為結(jié)構(gòu)抗傾覆安全系數(shù)；Sp為傾覆最不利荷載工況的規(guī)范汽車(chē)荷載（對(duì)于中墩為支座形式，中支點(diǎn)支座轉(zhuǎn)角達(dá)到0.03rad；對(duì)于中墩為固結(jié)形式，中墩達(dá)到正常使用極限狀態(tài)時(shí)），荷載系數(shù)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）第4.1.6條選取；Sq為考慮初始傾覆效應(yīng)后，實(shí)際值K倍的Sp。

當(dāng)驗(yàn)算一種或幾種偏心荷載作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的把握至關(guān)重要，初始狀態(tài)出現(xiàn)偏差將直接導(dǎo)致得出錯(cuò)誤的驗(yàn)算結(jié)論，給結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)隱患。獨(dú)柱支承梁式橋的傾覆穩(wěn)定為空間受力行為，尤其對(duì)于曲線梁橋，自重、二期恒載、混凝土收縮、徐變、預(yù)應(yīng)力荷載及溫度效應(yīng)所產(chǎn)生的扭矩和扭轉(zhuǎn)變形對(duì)結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定性影響較大，必須準(zhǔn)確計(jì)入。

圖4　A12～B2墩橋梁立面圖（單位：cm）

3　A12～B2墩現(xiàn)澆連續(xù)箱梁（直線橋）抗傾覆復(fù)核驗(yàn)算

3.1　結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

如圖4所示，A12～B2聯(lián)為直橋，跨徑為（29+35+25）m，主梁寬度 9.4 m，梁高 1.6 m，采用C50混凝土現(xiàn)澆。邊墩為板式橡膠支座，左右墩支座間距分別為3 m和3.4 m。中墩為雙向固定盆式支座。抗傾覆計(jì)算時(shí)按扭轉(zhuǎn)最不利在橋梁的一側(cè)進(jìn)行偏載布載，考察邊墩支座反力和中墩轉(zhuǎn)角變形。車(chē)道偏心2.85 m,該橋最多布置一個(gè)車(chē)道。A12～B2墩主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖5所示。

圖5　A12～B2墩主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.2　計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

由于該橋中墩與主梁間為固定支座連接，屬于無(wú)固結(jié)墩柱的獨(dú)柱支承梁式橋，因此應(yīng)驗(yàn)算達(dá)到其對(duì)應(yīng)傾覆臨界狀態(tài)（邊支座脫空時(shí)）時(shí)的傾覆穩(wěn)定性，并相應(yīng)給出次中墩處支座轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，當(dāng)行車(chē)荷載為1倍規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)荷載時(shí)，橋梁整體結(jié)構(gòu)傾覆驗(yàn)算滿足相關(guān)規(guī)范要求；當(dāng)行車(chē)荷載為規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)荷載的1.2倍時(shí)，橋梁邊墩支座處于脫空臨界狀態(tài)。所以該橋的抗傾覆安全儲(chǔ)備值為1.2倍車(chē)道荷載，如圖6所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得知，在活荷載達(dá)到1.5倍標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范荷載時(shí)，邊墩支座的最大拉力為199kN，根據(jù)該值對(duì)橋梁邊墩采取抗傾覆措施，以滿足結(jié)構(gòu)邊墩支座的抗拉需求，如圖7所示。

圖6　恒載+1.2倍活載時(shí)的反力(開(kāi)始脫空)（單位：kN）

圖7　恒載+1.5倍活載，邊墩要抵抗負(fù)反力-199 kN（單位：kN）

4　A12～C7墩現(xiàn)澆箱梁（曲線橋）抗傾覆復(fù)核驗(yàn)算

4.1　結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

如圖8所示，A12～C7聯(lián)為5跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁，跨徑（4×35+30）m，主梁均寬 15.21 m，梁高1.6 m，采用C50混凝土現(xiàn)澆。主梁彎曲半徑172 m，中墩采用固定盆式橡膠支座，邊墩為F4滑板支座，A12墩 4塊，間距3×3.34 m，C7墩設(shè)置3塊，間距（3.69+3.71）m。抗傾覆計(jì)算時(shí)按扭轉(zhuǎn)最不利在橋梁的一側(cè)進(jìn)行偏載布載，考察邊墩支座反力和中墩轉(zhuǎn)角變形。汽車(chē)活載偏心4.16 m,該橋可布置兩條車(chē)道。A12～C7墩主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖9所示。

圖8　A12～C7墩橋梁立面圖（單位：cm）

圖9　A12～C7墩主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

4.2　計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

該彎橋的抗傾覆能力較弱，恒載反力為591 kN，溫度荷載負(fù)反力為-104 kN,規(guī)范汽車(chē)活載下的反力為-1 300 kN。加載到0.37倍的汽車(chē)荷載下即發(fā)生第一次脫空（見(jiàn)圖10），加載到1.15倍的汽車(chē)荷載下即發(fā)生第二次脫空。加載到2.1倍規(guī)范汽車(chē)荷載時(shí)，中墩最大轉(zhuǎn)角達(dá)到0.03 rad，即抗傾覆系數(shù)為2.1；加載到2.5倍規(guī)范汽車(chē)荷載時(shí)，中墩最大轉(zhuǎn)角達(dá)到0.049 rad。汽車(chē)活載加到規(guī)范荷載的1.5倍時(shí)需要克服的邊支座負(fù)反力為-1 464 kN，如圖11所示。汽車(chē)活載加到規(guī)范荷載的2.5倍時(shí)需要克服的邊支座負(fù)反力為-2 766 kN，如圖12所示。

圖10　恒載+0.37倍汽車(chē)活載+降溫時(shí)邊支座臨近脫空（單位：kN）

圖11　恒載+1.5倍汽車(chē)活載+降溫，邊墩要抵抗最大反力-1 464 kN（單位：kN）

圖12　恒載+2.5倍汽車(chē)活載+降溫，邊墩要抵抗最大負(fù)反力-2 766 kN（單位：kN）

5　結(jié)語(yǔ)

總結(jié)二聯(lián)橋梁的抗傾覆系數(shù)，直橋取第一次脫空的活載系數(shù)，彎橋取第一次和第二次脫空的活載系數(shù)。直橋按1.5倍活載最不利布置查看最大支座負(fù)反力，彎橋按2.5倍活載最不利布置查看最大支座負(fù)反力，以此作為加固的參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2　需加固二聯(lián)橋計(jì)算結(jié)果匯總

抗拉設(shè)施采用支座抗震設(shè)施（縱向活動(dòng)式），按每個(gè)橋梁抗拉設(shè)施設(shè)計(jì)拉力900 kN考慮。

對(duì)抗傾覆能力不足的彎橋A12～C7邊墩內(nèi)外側(cè)各加 4套（900 kN×3=2 700 kN＜2 766 kN），中墩內(nèi)外側(cè)各加2套；抗傾覆能力不足的直橋A12～B2（抗傾覆系數(shù)1.2）邊墩各加一套，中墩不加。施加抗震設(shè)施后，橋梁的運(yùn)營(yíng)情況良好，橋梁抗傾覆能力顯著提高。根據(jù)對(duì)該立交的后期交通觀察，并沒(méi)有發(fā)生傾覆滑移的問(wèn)題，認(rèn)為這種計(jì)算和加固的方法是可行和有效的，具有較好的工程指導(dǎo)意義。