公路橋梁抗傾覆驗算及加固改造設計研究

羅帥

（商洛市交通設計院，陜西 商洛 726000）

0 引言

公路橋梁因受到偏心荷載的影響，若橋梁結構自身抗扭剛度不強，則發生剪扭破壞的可能性較大。在橫載和偏心荷載等的影響下，部分梁體支點會表現出脫空現象，甚至引發橋梁結構坍塌。獨柱墩橋梁自身就是偏心受壓構件，在墩身過細及墩高過高情況下，立柱偏心受壓必定會引發結構破壞[1]。

1 工程概況

某公路獨柱墩橋梁單孔跨徑25m，全長95m，就平面結構而言，該橋梁橫跨JD88緩和曲線和圓曲線，橋梁上部結構為3m×25m現澆鋼筋混凝土連續箱梁，橋臺為U型設計，下部結構為獨柱墩及擴大基礎，見圖1。橋梁橫跨某公路，考慮到該公路段車流量大，且大都為重型車，結合獨柱墩橋梁處置專家的意見，必須對橋梁展開抗傾覆驗算和加固處理，使橋梁荷載等級從公路Ⅱ級提升至公路Ⅰ級。

2 抗傾覆分析

2.1 有限元模型構建

該獨柱墩橋梁結構屬于非預應力箱梁結構，必須分析其實際在運行過程中的受力特征。應用MIDAS/Civil橋梁結構空間有限元分析軟件進行橋梁抗傾覆驗算[2]，有限元模型見圖2。為獲得最不利于支座的活荷載加載位置，還結合使用了移動荷載追蹤器。在求解支座1反力時，應在支座3凹側邊加載，并按照橋跨設計使加載位置荷載均布；在求解支座6反力時，也應同樣在橋跨處布置均布荷載，并使荷載在支座5對應的外邊緣集中；在求解支座8反力時，均布荷載，并在支座5外邊緣布置集中荷載，見圖3。

2.2 支座最不利反力

進行獨柱墩橋梁抗傾覆驗算時，必須考慮到橋梁結構的對稱性及荷載工況，且只進行支座1和支座3最不利工況分析。這兩個支座最不利工況下凸側加載反力結果為：支座1最不利工況下，支座1～8加載反力分別為585.3MPa、856.7MPa、1568.6MPa、6839.5MPa、7389.4MPa、534.5MPa、615.6MPa、2333.1MPa；支座3最不利工況下，支座1～8加載反力分別為2313.5MPa、866.8MPa、-270.4MPa、6852.1MPa、7438.7MPa、2645.1MPa、617.6MPa、163.4MPa。從比較結果可知，支座1最不利工況下，全部支座加載反力均為正值，不存在支座脫空的可能。支座3最不利工況下，僅支座3加載反力為負值，其余支座均為正值，說明僅支座3存在脫空?？紤]到獨柱墩橋梁屬于對稱結構，故支座1和支座6、支座3和支座8情況相同。此外在平面曲率的影響下，曲線梁梁體凸側邊弧長比凹側邊弧長，所以梁體界面形心軸并不與其重心重合，重心主要位于其形心軸外側。

支座3在重心軸和行車荷載的共同作用下出現扭矩作用而脫空，導致支座4和支座5左右側分別發生9.85MPa和10.35MPa的剪應力，產生橫向扭轉效應，引發脫空，外側支座同時表現出較大剪切變形，獨柱墩橋梁整體結構均出現側向偏轉的可能。

2.3 抗傾覆驗算

該獨柱墩橋梁抗傾覆分析主要根據抗傾覆理論，在進行曲線梁抗傾覆安全系數計算時，必須全面分析設計行車荷載、結構延性破壞及傾覆延遲、實際行車荷載等因素，將獨柱墩橋梁結構抗傾覆系數保持在2.45以內。箱梁橋傾覆中橋臺側支座很容易發生脫空現象，傾覆發生后整個橋體受力結構迅速改變，此時若能保證標準值組合，則不會發生支座脫空。

獨柱墩曲線梁傾覆事故的出現，表明橋梁橫向抗傾覆穩定性不良，對橋梁模態分析，該橋梁第1～4結構振型所對應的自振頻率分別為4.167Hz、5.124Hz、6.396Hz、8.098Hz。其中，第1振型為基本振型，主要表現為扭轉變形，其余振型表現為局部扭轉變形，橋梁扭轉剛度較小，獨柱墩曲線梁抗傾覆能力較弱。因此，橋梁在運營過程中發生翻轉的可能性較大，必須進行相應的加固設計。

3 加固設計

將鋼結構支撐增設在獨柱墩曲線梁橋原獨柱墩上，并分別在1#橋墩和2#橋墩兩側加設兩個支座，承擔汽車偏載不良影響的同時抵抗橫向傾覆扭矩，如此一來，原由上部結構箱梁所承擔的扭矩，直接改由下部結構橋墩和箱梁共同承擔，行車偏載引起的橋梁扭轉效應明顯減弱[3]，橋梁結構抗扭承載力顯著提升。加固方案實施后的支座平面布置情況詳見圖4。

此外，加固橋墩結構上部鋼結構支撐頂面與橋墩上表面相距20.5cm處，以便為施工提供便利條件。具體而言，通過抱箍加固形式連接墩柱和鋼結構支架，并將鋼結構支架外緣和墩柱外緣距離控制在1.50m；通過高強螺栓+焊接的方式連接鋼結構支架。橋跨加固方案見圖5。

3.1 橋梁加固計算

為提升獨柱墩橋梁結構的抗傾覆能力，通過施加公路Ⅰ級荷載，計算新增支座反力。因行車偏載行駛會加劇獨柱墩橋梁傾覆和扭轉程度，故而對于已經出現扭轉變形的橋梁必須新增受力支座。應用MIDAS/Civil橋梁結構空間有限元分析軟件進行新增支座反力計算，在計算最不利支座9反力時，應在支座1凸側進行橋跨滿布均布荷載加載，同時在支座4外邊緣加載集中荷載；在計算最不利支座11反力時，應在支座5外緣加載集中荷載，并向橋跨加載滿布均布荷載；在計算最不利支座10和12反力時，均按照橋跨滿布均布荷載，分別向支座4和5外緣施加集中荷載?？紤]到獨柱墩曲線梁結構的對稱性，僅分析最不利支座11和支座12反力情況，結果見表1。

表1 最不利支座11和支座12反力情況（單位：MPa）

獨柱墩曲線梁采用鋼結構加固形式，下部增設抱箍形圓柱支撐結構，為應對較大荷載，還在兩側增設鋼管支撐。通過計算鋼管受力，選擇并驗算截面，保證結構受力的合理性。

3.2 加固后抗傾覆能力分析

應用MIDAS/Civil橋梁結構空間有限元分析軟件，進行該獨柱墩橋梁結構在公路Ⅰ級荷載工況下加固后支座反力分析。根據有限元分析結果，橋梁加固后公路Ⅰ級驗算支座中并未表現出脫空問題。通過比較加固前后橋梁上部結構頻率、振型發現，加固后頻率增大，橋梁剛度提升；加固前每種振型均存在或多或少的扭轉，且第一振型扭轉最為明顯，而加固后前四階振型中不存在扭轉現象，局部扭轉僅發生在第五階振型，整體加固圖見圖6。可見，該橋梁工程所采取的加固方案合理可行，獨柱墩曲線梁抗扭承載力得到相應提升。

4 結語

獨柱墩橋梁占地少、空間大、橋形優美，在橋梁工程中的應用十分廣泛，但是在運行過程中容易因超負荷引發傾覆失穩事故。在原獨柱墩結構上增加鋼結構支撐并加設支座的方式能有效解決橋梁結構傾覆失穩問題。該橋梁行車荷載達到公路Ⅰ級荷載工況組合時，所有支座均不存在傾覆脫空。該橋梁加固改造實踐可作為類似獨柱墩曲線梁結構加固的借鑒參考。