獨(dú)柱墩匝道橋抗傾覆驗算與安全提升改造研究

江蘇沿江高速公路有限公司，江蘇 南京 210016

2019年10月，無錫錫港路上跨橋因半掛牽引車嚴(yán)重超載導(dǎo)致橋梁側(cè)翻，造成3人遇難，社會影響惡劣。為確保同類事故不再發(fā)生，江蘇省針對獨(dú)柱墩橋梁開展了專項檢查工作，對存在傾覆安全隱患的橋梁進(jìn)行安全提升改造。文章以某高速公路獨(dú)柱墩匝道橋為基礎(chǔ)，具體分析高速公路獨(dú)柱墩匝道橋抗傾覆驗算與安全提升改造方法，為獨(dú)柱墩橋梁安全提升改造工程提供技術(shù)參考。

1 獨(dú)柱墩橋梁改造常用方法

獨(dú)柱墩橋梁提升改造常用的方法有以下5種：（1）現(xiàn)有構(gòu)造空間足夠時，利用原結(jié)構(gòu)增設(shè)支座，改單支座為多支座；（2）墩柱有構(gòu)造空間利用時，可通過加寬墩柱或增設(shè)墩柱，改單支座為多支座；（3）墩柱無構(gòu)造空間利用時，可在墩柱頂部增設(shè)混凝土蓋梁或鋼抱箍，或者新增樁基+墩柱等方式，改單支座為多支座；（4）橋下凈空受限時，可改支座支承為墩梁固結(jié)；（5）增設(shè)抗拉拔裝置，此方法可作為預(yù)防措施，但不得單獨(dú)作為具有安全風(fēng)險的獨(dú)柱墩橋梁橫橋向抗傾覆能力的提升措施。

提升改造后橋梁除了需滿足支座脫壓及橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)、梁體轉(zhuǎn)角驗算要求，還應(yīng)根據(jù)提升后獨(dú)柱墩橋梁的結(jié)構(gòu)體系和支承邊界條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，并滿足以下要求：（1）新增結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的承載力驗算應(yīng)按提升荷載標(biāo)準(zhǔn)及對應(yīng)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行；（2）提升后結(jié)構(gòu)體系改變的，應(yīng)對與提升措施直接連接并傳力的原結(jié)構(gòu)與構(gòu)件（如主梁局部、橋墩和支座）進(jìn)行強(qiáng)度驗算，按提升荷載標(biāo)準(zhǔn)及對應(yīng)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行；（3）提升后支承邊界條件改變的，應(yīng)對與提升措施直接連接并傳力的原結(jié)構(gòu)與構(gòu)件（如主梁、橋墩和支座）進(jìn)行強(qiáng)度驗算，按原設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)及對應(yīng)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行；（4）應(yīng)按原設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)及對應(yīng)設(shè)計規(guī)范對提升后的獨(dú)柱墩橋梁整體進(jìn)行承載力驗算。

2 工程概況

2.1 橋梁概況

某獨(dú)柱墩匝道橋平面位于半徑R=140m的圓曲線上，橋面凈寬為7.5m，總寬為8.5m。該橋上部結(jié)構(gòu)采用19m+7×20m+19m的現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，箱梁采用單箱單室截面，直腹板，梁高1.3m，箱梁頂寬8.5m，底寬3.5m，懸臂長度為2.5m，橫坡5%。標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：cm）

該橋設(shè)計荷載為汽車-超20、掛車-120級。結(jié)構(gòu)支撐體系為0#、9#號臺采用雙支座，按照箱梁中心線對稱布置，支座間距為4.2m；1#～8#墩為方柱式墩，下接直徑為1.8m的鉆孔灌注樁，樁柱間設(shè)置承臺，墩頂設(shè)置單支座，支座位于箱梁中心線。橋梁平面布置如圖2所示。

圖2 平面布置圖

2.2 抗傾覆驗算

橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算應(yīng)滿足以下要求：（1）在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)；（2）作用標(biāo)準(zhǔn)組合下，橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)不小于2.5；（3）在作用基本組合下，梁體轉(zhuǎn)角不得大于0.02rad。

采用《橋梁博士》V4.2建立匝道橋空間分析模型，如圖3所示。

圖3 匝道橋有限元分析模型

在原設(shè)計荷載作用下該橋計算結(jié)果如下：（1）作用基本組合下，橋臺兩側(cè)支座均出現(xiàn)負(fù)反力（弧外側(cè)為-747.0kN、弧內(nèi)側(cè)為-956.9kN），不滿足單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)的要求；（2）作用標(biāo)準(zhǔn)組合下，橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為0.64＜2.5，不滿足規(guī)范要求；（3）在作用基本組合下，梁體轉(zhuǎn)角均＜0.02rad，滿足要求。

3 方案比選

獨(dú)柱墩改造一般以不改變原結(jié)構(gòu)受力體系為宜，新增支座不承擔(dān)結(jié)構(gòu)恒載僅承擔(dān)活載。經(jīng)試算，可對該橋3#、6#墩進(jìn)行改造，當(dāng)新增支座距箱梁中心間距≥2.1m時，在現(xiàn)行規(guī)范荷載作用下，橋梁橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范要求。獨(dú)柱墩改造常用方案為增設(shè)墩柱或擴(kuò)寬墩柱、新建基礎(chǔ)增設(shè)墩柱、增設(shè)鋼蓋梁等，改造方案示意如圖4所示。對以上3種方案進(jìn)行比選，綜合考慮橋梁實際狀況、現(xiàn)場施工條件、經(jīng)濟(jì)性等因素選取合適的改造方式。方案比選情況如表1所示。

圖4 匝道橋3種改造方案示意圖（單位：cm）

表1 改造方案比選一覽表

對該匝道橋3#、6#墩墩柱增設(shè)鋼蓋梁，新增支座間距為4.2m，按照箱梁中心線對稱布置，改造后在現(xiàn)行規(guī)范荷載作用下橋梁橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為2.89，滿足規(guī)范要求，但0#臺、9#臺弧內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)負(fù)反力（-52.1kN）。針對橋臺弧內(nèi)側(cè)支座脫空風(fēng)險，可在該側(cè)增設(shè)抗拉拔裝置，抗拉拔裝置具有以下優(yōu)點：（1）構(gòu)造簡單、受力明確，施工方便，對原橋結(jié)構(gòu)受力無影響；（2）預(yù)防支座脫空，可同時作為抗震防落梁措施；（3）造價低，經(jīng)濟(jì)性好。

抗拉拔裝置對橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)的提高無影響，因此不可單獨(dú)作為有安全風(fēng)險的獨(dú)柱墩橋梁橫橋向抗傾覆能力的提升改造措施。

4 技術(shù)創(chuàng)新

抗拉拔裝置由上錨板、下錨板、拉板等組成，拉板與錨板間采用軸銷連接，上下錨板與原結(jié)構(gòu)通過錨栓連接。抗拉拔裝置造價低、構(gòu)造簡單、施工方便且可有效預(yù)防支座脫空，因此在橋梁維修加固工程中有一些應(yīng)用。以往的工程中抗拉拔裝置一般采用鋼板作為拉板，但在后期橋梁運(yùn)營養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)錨板四周混凝土有開裂現(xiàn)象，原因可能是剛拉板剛度太大，不能適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形從而導(dǎo)致混凝土局部開裂。

結(jié)合以往加固和養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗，此次獨(dú)柱墩改造工程將拉板材料優(yōu)化為鋼絲繩制成的成品拉桿，并在上錨板毛孔開長槽，以適應(yīng)梁體縱向變形，避免對結(jié)構(gòu)形成多余約束，如圖5所示。

圖5 柔性拉桿結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

5 結(jié)論

（1）當(dāng)構(gòu)造空間嚴(yán)重受限且原橋墩立柱強(qiáng)度滿足要求時，通過增設(shè)鋼蓋梁并設(shè)置滑板橡膠支座，使新增支座分擔(dān)部分活載而不承擔(dān)恒載，可在不大幅度改變原結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的情況下直接有效地改善橋梁的抗傾覆性能，且施工過程不影響橋梁正常運(yùn)營。（2）抗拉拔裝置施工方便，基本不影響原結(jié)構(gòu)受力，經(jīng)濟(jì)性好。在橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)滿足設(shè)計規(guī)范要求，但支座有脫空風(fēng)險的情況下，增設(shè)抗拉拔裝置可有效預(yù)防單向受壓支座脫離正常受壓狀態(tài)，確保箱梁在不利工況下支撐體系不發(fā)生變化。（3）抗拉拔裝置設(shè)置要考慮結(jié)構(gòu)變形影響，宜采用柔性結(jié)構(gòu)拉桿，并合理預(yù)留變形間隙，不得對結(jié)構(gòu)形成多余約束。