連續(xù)箱梁橋抗傾覆驗(yàn)算和加固設(shè)計(jì)

■韓 斌

（平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)與交通運(yùn)輸服務(wù)中心，平潭 35000）

在現(xiàn)代橋梁建設(shè)中，獨(dú)柱墩或花瓶墩箱梁橋不僅可以提高空間布局和視野，而且能夠?qū)蛄和庥^起到美化的作用，曾被廣泛運(yùn)用于城市立交橋以及高速公路互通匝道橋等項(xiàng)目當(dāng)中。 但近年來(lái)，道路交通量日趨增加，以及超限超載重型車輛的違規(guī)駕駛，極易使得獨(dú)柱墩或花瓶墩箱梁橋在運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)梁體扭轉(zhuǎn)及變形、 支座受力不均及脫空等現(xiàn)象，增加橋梁安全隱患，甚至發(fā)生傾覆事故[1]。 如2012年8 月24 日，哈爾濱市三環(huán)路群立高架橋，從洪湖路上跨匝道橋上發(fā)生傾覆事故；2019 年10 月10 日，江蘇無(wú)錫312 國(guó)道高架橋發(fā)生橋面?zhèn)确?橋梁抗傾覆事故無(wú)預(yù)兆的發(fā)生，造成嚴(yán)重的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失[2]。 現(xiàn)階段對(duì)超限超載車輛問(wèn)題難以完全杜絕，橋梁的傾覆事故時(shí)常發(fā)生，對(duì)橋梁進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，排查運(yùn)營(yíng)橋梁安全隱患， 探索最優(yōu)的可行性加固設(shè)計(jì)方案有著重要意義。 本文以福建省平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)東壁村跨線橋?yàn)槔?對(duì)影響箱梁橋抗傾覆能力的因素進(jìn)行了驗(yàn)算分析， 根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果深入分析橋梁橫向失穩(wěn)的產(chǎn)生原因并提出相關(guān)的設(shè)計(jì)原則和加固設(shè)計(jì)方案，為提高橋梁穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)提供有效的參考。

1 抗傾覆驗(yàn)算

1.1 工程概況

東壁村跨線橋（北線）為六跨預(yù)應(yīng)力混凝土等截面連續(xù)現(xiàn)澆箱梁，跨徑布置為[（27+30+20）+（3×22）]m，斜交角度為100°， 橋面凈寬15.5 m， 橫向布置為0.45 m（護(hù)欄）+15.5 m（行車道）+0.45 m（護(hù)欄）；橋面鋪裝為瀝青混凝土，設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。 橋梁上部結(jié)構(gòu)為：主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土魚腹式箱梁，梁高2.2 m，箱梁頂板寬16.4 m，頂板厚0.23 m， 底板厚0.23～0.5 m， 腹板厚度變化為0.5～0.85 m，如圖1 所示。橋梁下部結(jié)構(gòu)為：橋臺(tái)采用U 型臺(tái)；橋墩采用花瓶墩，如圖2 所示。 該橋墩臺(tái)均采用雙支座，具體支座布置形式，如圖3 所示。

圖1 橋梁上部結(jié)構(gòu)橫斷面圖

圖2 橋墩實(shí)景圖

圖3 支座平面布置圖

1.2 計(jì)算模型

根據(jù)JTG 3362-2018 《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》，持久狀況下，梁橋不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變，并應(yīng)同時(shí)滿足下列規(guī)定[3]：（1）在荷載作用下，支座應(yīng)始終保持受壓狀態(tài)；（2）按作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合時(shí)（按規(guī)范第7.1.1 條取用），整體式截面簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)應(yīng)符合下式要求：

式（1）中，穩(wěn)定效應(yīng)：∑Sbk,i=∑RGkiLi；失穩(wěn)效應(yīng)：∑Ssk,i=∑RQkiLi；kqf為抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取kqf=2.5；∑Sbk,i為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；∑Ssk,i為使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

主梁橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算采用有限元軟件橋梁博士4.2.0 驗(yàn)算，全橋模型如圖4 所示，同時(shí)應(yīng)考慮以下作用：（1）二期恒載。 橋面鋪裝10 cm 瀝青+5 cm 防水砼，瀝青混凝土容重24 kN/m3，混凝土容重25 kN/m3，單側(cè)護(hù)欄9.1 kN/m；（2）汽車荷載等級(jí)采用公路-I 級(jí)， 雙向四車道， 按JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》執(zhí)行；（3）溫度（均勻溫度和梯度溫度）作用；（4）不均勻沉降，墩臺(tái)按7.5 mm考慮；（5）汽車沖擊系數(shù)按JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》第4.3.2 取值。

圖4 第一聯(lián)空間模型

本次橋梁抗傾覆驗(yàn)算的范圍與方式：（1）計(jì)算只針對(duì)可能出現(xiàn)傾覆的橋梁最不利聯(lián)，對(duì)于其他聯(lián)橋的傾覆情況未考慮；（2）計(jì)算基于橋梁的整體健康狀況為Ⅱ類及以上，橋梁結(jié)構(gòu)完好、橋面完整，支座豎向支承正常有效， 墩柱等下部結(jié)構(gòu)受力良好；未考慮橋梁已經(jīng)出現(xiàn)的病害情況；（3）因橋梁傾覆工況出現(xiàn)支座脫空后引起的橋梁主體及附屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，不在本次計(jì)算考慮范圍。

1.3 抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)東壁村跨線橋（北線）第一聯(lián)抗傾覆能力進(jìn)行驗(yàn)算，考慮車道荷載向左側(cè)偏載加載，分析結(jié)果表明部分支座出現(xiàn)負(fù)反力，最小穩(wěn)定性系數(shù)大于2.5，0-2、1-2、2-2 與3-2 支座均為失效支座，0-1、1-1、2-1、3-1 支座為有效支座。 驗(yàn)算分析結(jié)果詳見表1。 由表1 可以得出，特征狀態(tài)Ⅰ驗(yàn)算時(shí)，在車道荷載向左側(cè)偏載加載工況作用下，該橋的支座出現(xiàn)負(fù)反力， 且3-2 支座的最大負(fù)反力為146.1 kN，表明橋梁支座已開始出現(xiàn)脫空，不具備足夠的抗傾覆能力，故不滿足驗(yàn)算要求。 特征狀態(tài)Ⅱ驗(yàn)算時(shí)，在失效支座對(duì)應(yīng)最不利汽車荷載工況作用下，橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)遠(yuǎn)大于2.5， 表明該橋不會(huì)發(fā)生整體傾覆，滿足驗(yàn)算要求。

表1 第一聯(lián)結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算

綜上，本橋在作用基本組合下，支座出現(xiàn)負(fù)反力， 在標(biāo)準(zhǔn)組合下， 橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)大于2.5，橋梁上部抗傾覆驗(yàn)算不滿足規(guī)范要求。故應(yīng)采取措施對(duì)該橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，防止橋梁的傾覆失穩(wěn)。

2 抗傾覆加固設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

橋梁的抗傾覆加固設(shè)計(jì)的主要原則應(yīng)包括：（1）安全第一，經(jīng)濟(jì)合理，便于施工，減少對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的外觀變化；（2）提高橋梁的抗傾覆能力；（3）避免影響道路交通運(yùn)營(yíng)；（4）考慮后期養(yǎng)護(hù)和支座更換。 根據(jù)橋梁現(xiàn)場(chǎng)條件、橋梁的橫向穩(wěn)定性、橋梁的日常運(yùn)營(yíng)要求，以及其平面及立面加固條件有局限等因素，擬對(duì)該橋橋墩選用設(shè)置抗拔約束裝置的方案進(jìn)行加固維修。 抗拔銷的加固方式能夠在一定程度上及時(shí)地對(duì)橋梁的上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉力，從而防止橋梁的傾覆事故發(fā)生[4]。

2.2 設(shè)計(jì)方案

本次加固主要為了增加?xùn)|壁村跨線橋的抗傾覆能力。 在東壁村跨線橋第一聯(lián)進(jìn)行抗傾覆加固，采用在3 號(hào)墩設(shè)置抗拔銷的形式。 支座抗拔銷安裝位置在3 號(hào)橋墩正立面支座對(duì)應(yīng)處，本抗拔銷可提供250 kN 抗拔力，如圖5 所示。 抗拔銷主要材料采用Q345C 結(jié)構(gòu)鋼，耳板采用20 mm 厚鋼板，鏈桿采用40 mm 厚鋼板，端部開銷孔直徑為70 mm，加強(qiáng)端部鋼板采用10 mm 厚鋼板。 耳板加勁肋采用12 mm 厚鋼板。 底座采用30 mm 厚鋼板。 耳板與底座的焊接采用坡口全熔透焊接，加勁板與耳板及底板的焊接采用雙面角焊縫。 錨栓有效錨固深度35 cm，錨栓施工期需探明主梁鋼束位置，以避開主梁縱向及橫向鋼束波紋管及錨頭。 橋墩裝飾槽內(nèi)澆筑微膨脹混凝土前需對(duì)原混凝土表面進(jìn)行鑿毛處理。 混凝土達(dá)到強(qiáng)度的85%后再進(jìn)行鉆孔植入錨栓。

圖5 抗拔銷立面布置圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)東壁村跨線橋第一聯(lián)進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算分析， 并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行橋梁傾覆的原因分析，進(jìn)而提出抗傾覆加固設(shè)計(jì)方案， 得出以下結(jié)論：（1）本次計(jì)算基于橋梁結(jié)構(gòu)完好，橋面完整，支座豎向正常有效支承，墩柱結(jié)構(gòu)受力良好。 第一聯(lián)在作用基本組合下，支座出現(xiàn)負(fù)反力，特征狀態(tài)Ⅰ驗(yàn)算不滿足規(guī)范要求；在標(biāo)準(zhǔn)組合下，橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)大于2.5，特征狀態(tài)Ⅱ驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。綜上， 橋梁第一聯(lián)上部抗傾覆驗(yàn)算不滿足規(guī)范要求。 （2）《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》自2018 年11 月1 日起施行，新規(guī)范對(duì)箱梁上部結(jié)構(gòu)抗傾覆作出了更加明確的規(guī)定。 本橋第一聯(lián)由于箱梁較寬、支座間距小且邊中跨比例小，導(dǎo)致邊支點(diǎn)恒載過(guò)小，故橋梁上部抗傾覆驗(yàn)算不滿足現(xiàn)有規(guī)范要求。 （3）從力學(xué)分析的角度上看，加固設(shè)計(jì)采用抗拔銷的形式，為其提供250 kN 抗拔力，可有效防止出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象。 從設(shè)計(jì)的角度節(jié)約了加固的工程造價(jià)，且施工方便，推廣的可行性較高。 （4）建議道路養(yǎng)護(hù)部門加強(qiáng)橋梁日常養(yǎng)護(hù)、檢查、加固維修以及技術(shù)檔案管理， 保障橋梁養(yǎng)護(hù)工作， 建立“建、管、養(yǎng)”三位一體制度，盡早對(duì)獨(dú)柱墩或支座間距較小的橋梁進(jìn)行排查和模型計(jì)算分析，及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的加固維修，確保運(yùn)營(yíng)橋梁的結(jié)構(gòu)安全，使得現(xiàn)有橋梁更好地為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。 （5）結(jié)合我國(guó)超限超載車輛現(xiàn)狀，前期工程設(shè)計(jì)中建議加強(qiáng)橋梁抗傾覆驗(yàn)算， 適當(dāng)提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，增加結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，提升道路橋梁安全穩(wěn)定性。