公路橋梁抗傾覆驗(yàn)算與加固改造設(shè)計(jì)分析

葛 飛 （安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

獨(dú)柱墩橋梁在橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)中屬于比較常見的一種形式，在普通公路、高速公路和城市高架橋等工程中應(yīng)用較為廣泛。只是近年來，由于道路交通量的不斷增長以及長期存在的車輛超載現(xiàn)象，發(fā)生過獨(dú)柱墩橋梁因車輛超重偏載引發(fā)倒塌傾覆事故，造成人員傷亡的同時(shí)還會(huì)帶來無法預(yù)估的財(cái)產(chǎn)損失，并在社會(huì)上產(chǎn)生了不小的負(fù)面影響。譬如在2009年的7月15日，津晉高速港塘收費(fèi)站外面設(shè)立的獨(dú)柱墩連續(xù)匝道橋上，3輛嚴(yán)重超載車輛為避讓一輛前方逆行車，偏離其行車道并形成密集停置，結(jié)果引發(fā)橋梁的傾覆；2012年的8月24日，在哈爾濱三環(huán)的群力高架橋，從洪湖路上跨匝道橋上出現(xiàn)傾覆事故。由此看來，確保獨(dú)柱墩橋梁能夠安全運(yùn)營，首先要保證獨(dú)柱墩橋梁具有足夠的抗傾覆能力。

2 橋梁的抗傾覆能力驗(yàn)算

關(guān)于橋梁抗傾覆能力驗(yàn)算，目前行業(yè)內(nèi)尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，，通過調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)資料，并參照云南省相關(guān)規(guī)定，文章采用的驗(yàn)算荷載為公路－Ⅰ車輛密布荷載，依據(jù)支座脫空程度來評(píng)判結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾覆的可能性。

2.1 荷載取值

依照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015），對(duì)于汽車荷載采用自定義形式的荷載，按照Ⅰ級(jí)公路中的車輛標(biāo)準(zhǔn)荷載，并按照?qǐng)D1所示2.2m的車間距考慮車輛密布荷載。其中的自定義荷載依據(jù)圖2所示實(shí)際車道數(shù)按照偏載方式予以加載。

圖1 車輛加載示意圖（力的單位kN，距離單位：m）

圖2 偏載施加示意圖（單位：cm）

2.2 傾覆可能性判定

橋梁傾覆其實(shí)是一個(gè)復(fù)雜的演變過程，一般來說在獨(dú)柱墩橋梁還沒有傾覆之前，橋臺(tái)或聯(lián)端支座通常會(huì)先產(chǎn)生脫空或失效現(xiàn)象。支座一旦脫空或失效，就起不到支撐結(jié)構(gòu)的作用。另外的支座將會(huì)產(chǎn)生支反力的再次分布，在此期間支座承受的豎向壓力會(huì)超過其設(shè)計(jì)強(qiáng)度，最終會(huì)使支座受到破壞，還可能會(huì)使支座轉(zhuǎn)角變形太大產(chǎn)生梁體滑移。故而，支座的失效跟脫空是出現(xiàn)傾覆的預(yù)兆，按照支座脫空來評(píng)判結(jié)構(gòu)是不是出現(xiàn)傾覆雖然有點(diǎn)過于嚴(yán)格、過于保守，但利于保證結(jié)構(gòu)安全。

3 實(shí)際驗(yàn)算

3.1 工程簡介

云南省某雙向四車道高速，寬28m、長44.906km、設(shè)計(jì)車速120km/h。

3.2 驗(yàn)算

全線獨(dú)柱墩橋梁共20聯(lián)，其中天橋13座，匝道橋6聯(lián)，主線橋1座，通過Midas/Civil有限元軟件建立模型，高速中的獨(dú)柱墩橋梁應(yīng)該根據(jù)文章第2節(jié)中介紹的抗傾覆驗(yàn)算法予以驗(yàn)算。為了體現(xiàn)橋梁支座脫空程度，有限元軟件在計(jì)算支座時(shí)采用的均是拉壓支座進(jìn)行模擬，當(dāng)支座反力比零低時(shí)意味著支座已經(jīng)脫空。結(jié)果表明，驗(yàn)算的橋梁抗傾覆能力都達(dá)不到要求，需針對(duì)性地進(jìn)行加固。

3.3 驗(yàn)算結(jié)果示例

高速K463+584位置上的橋梁上部采用的是預(yù)應(yīng)力混凝土(20+25×2+20)m連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，橋梁寬度為8.5m，橋梁當(dāng)中的0#、4#橋臺(tái)都是雙支撐點(diǎn)，1～3#墩則都是圓柱形單支座、獨(dú)立柱墩。其驗(yàn)算結(jié)果具體見表1，其中的橋梁0-2#、4-2#兩個(gè)支座均有負(fù)反力出現(xiàn)，意味著支座已開始脫空，橋梁不具備充足的抗傾覆能力。

驗(yàn)算結(jié)果

4 橋梁的加固改造

在加固獨(dú)柱墩橋梁時(shí)，之前采用的是加增設(shè)墩柱兩側(cè)的支座與樁柱的方式，雖然可以實(shí)現(xiàn)加固預(yù)期的抗傾覆效果，但是有時(shí)在外形上會(huì)產(chǎn)生一種不協(xié)調(diào)的整體景象，且施工時(shí)受橋下凈空高度等因素的限制，實(shí)施難度較大。本文依照經(jīng)濟(jì)、可行、有效、美觀的原則，對(duì)驗(yàn)算所選取的獨(dú)柱墩橋提出新加固措施。在確保加固后抗傾覆能力能達(dá)到預(yù)期效果的基礎(chǔ)上，保留獨(dú)柱墩橋梁外觀方面的美觀性。

4.1 天橋的加固

天橋的抗傾覆能力驗(yàn)算結(jié)果顯示，支座負(fù)反力最大也不可能超過-1500kN。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算可知，在橋臺(tái)端支點(diǎn)位置的主梁腹板外側(cè)跟翼板下側(cè)分別增設(shè)鋼橫梁與拉壓支座的這種方案是切實(shí)可行的。其實(shí)施方法具體為：先拆除主梁外側(cè)位置的擋塊，再利用化學(xué)錨栓把鋼橫梁跟主梁端橫梁組成一個(gè)整體，并在鋼橫梁下方布置拉壓支座，把主梁端部原本僅有的兩點(diǎn)支撐改成四點(diǎn)支撐，以抵消橋梁由于受到偏載作用而產(chǎn)生的傾覆力矩，改善其抗傾覆能力，具體的加固方案見圖3。

圖3 通過增設(shè)鋼橫梁進(jìn)行加固處理的示意圖

該加固方案不但簡潔有效，而且還經(jīng)濟(jì)合理，其加固施工不需要占用橋下空間，也無用任何大型施工設(shè)備，整個(gè)施工期間不會(huì)對(duì)高速公路的正常通車造成任何影響，加固施工完成后也不會(huì)對(duì)獨(dú)柱墩橋梁的整體美觀產(chǎn)生影響。

4.2 匝道橋的加固

對(duì)于高速西段上的互通6聯(lián)匝道橋，加固方案則是在獨(dú)柱墩墩頂部位置增設(shè)支座跟鋼蓋梁，將其原本的單點(diǎn)支撐改成三點(diǎn)支撐。其實(shí)施方法具體如下：在墩柱橋的墩柱頂部位置上設(shè)置橫向鋼蓋梁，并在柱身外面包上鋼板套箍跟化學(xué)錨栓，使其與原混凝土柱連成一體，加固完成后在鋼蓋梁頂處布設(shè)支座墊石以及板式橡膠支座，這樣一來就可以把獨(dú)柱墩頂部原本的單點(diǎn)支撐改成三點(diǎn)支撐，使下部結(jié)構(gòu)對(duì)匝道橋梁體的支撐點(diǎn)數(shù)量增加，從而改善其抗傾覆性能。加固完成后在驗(yàn)算荷載條件下，墩臺(tái)支座反力不再出現(xiàn)負(fù)值，只是獨(dú)柱墩墩身體現(xiàn)出來的抗彎能力存在欠缺，故而還要對(duì)墩身外包上鋼板進(jìn)行加固。該加固方案的具體示意見圖4。該加固方案不僅簡潔有效，而且經(jīng)濟(jì)合理，由于不需增設(shè)樁柱，降低了施工難度，也不用大型設(shè)備，且整個(gè)加固期間高速公路主線完全可以正常通車，加固施工完成后外形較為美觀。為增強(qiáng)墩柱結(jié)構(gòu)的抗彎能力跟剛度，需要用10mm厚鋼板包在墩身外面，將水泥基灌漿料澆筑到外包鋼板和原墩柱之間的空隙，使其成為一個(gè)整體。

圖4 通過增設(shè)蓋梁進(jìn)行加固處理的示意圖

5 結(jié)語

因之前橋梁抗傾覆能力大小并未在公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中做出明確要求，也沒有規(guī)定其計(jì)算方法，使得之前的橋梁在整個(gè)設(shè)計(jì)期間，設(shè)計(jì)師只注重橋梁結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪承載力是不是滿足規(guī)范要求，因此在計(jì)算設(shè)計(jì)期間并不關(guān)注橋梁的抗傾覆能力。由于交通量的持續(xù)增長和客觀存在的車輛超載現(xiàn)象，近些年來橋梁傾覆事故屢屢出現(xiàn)，為確保獨(dú)柱墩橋梁能夠安全運(yùn)營，必須對(duì)抗傾覆能力欠缺的獨(dú)柱墩橋梁予以加固。文章通過云南省某一高速獨(dú)柱墩橋梁工程實(shí)例，驗(yàn)算了其抗傾覆能力，并對(duì)其中抗傾覆能力存在欠缺的橋梁提出了加固方案的建議，提出的加固處理措施不但施工簡單而且有效，同時(shí)還不會(huì)影響橋梁外形上的美觀。