考慮單雙支座的公路橋梁抗傾覆設(shè)計與加固改造措施研究

農(nóng)尚武，蔣美軍

(1.廣西壯族自治區(qū)田陽公路養(yǎng)護中心，廣西 百色 533600；2.廣西壯族自治區(qū)道路運輸發(fā)展中心，廣西 南寧 530012)

0 引言

目前，國內(nèi)建成有大量獨柱墩橋梁，主要是因為獨柱墩具有適應(yīng)性強、占地面積少、結(jié)構(gòu)輕便等特點。獨柱墩在城市立交及互通匝道區(qū)內(nèi)使用較多，上部結(jié)構(gòu)一般采用鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁結(jié)構(gòu)或者普通鋼筋混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，其在整體性能方面相較于簡支梁結(jié)構(gòu)更優(yōu)，可以實現(xiàn)的跨度更大。隨著大量獨柱墩結(jié)構(gòu)的投入使用，在運營期內(nèi)，獨柱墩橋梁相繼出現(xiàn)了很多問題，如橋梁傾覆、滑移以及支座脫落等現(xiàn)象。這些問題都直接影響到橋梁的整體安全，特別是橋梁發(fā)生傾覆事件后，對我國經(jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全造成不良的影響。

本文首先對我國在役橋梁傾覆事故進行了分析，同時根據(jù)實例列舉了公路雙支座和單支座橋梁的抗傾覆能力，詳述了公路橋梁在設(shè)計之初需要注意的問題。同時，本文也為防止已建成的獨柱墩橋梁發(fā)生傾覆，提出了加固措施建議，為后續(xù)研究公路橋梁的抗傾覆設(shè)計提供參考。

1 近些年在役橋梁傾覆事故分析

近年來在天津、杭州、哈爾濱和無錫等地多座獨柱墩橋梁發(fā)生了傾覆事件，而傾覆的橋梁在落梁后梁體基本還是完整的，主要原因還是因為機動車超載作用下發(fā)生的橫向傾覆破壞。表1所示為近年部分典型在役橋梁傾覆事故一覽表。

從表1所羅列的橋梁傾覆事件綜合來看，我國目前橋梁傾覆暴露出的問題主要有兩方面：(1)很多獨柱墩在設(shè)計時都是沿用以往的設(shè)計經(jīng)驗，而沒有對獨柱墩橋梁抗傾覆性能進行驗算；(2)運營單位沒有及時對獨柱墩橋梁進行檢測、維修和更換支座，導(dǎo)致支座年久失修損壞，造成梁體滑落[1]。

表1 近年部分典型在役橋梁傾覆事故一覽表

2 公路橋梁的抗傾覆設(shè)計

2.1 橋梁概況

本文選取的橋梁位于廣西某高速公路路段互通式立交中，橋梁跨徑為(3×30) m，全長為97 m。本橋上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，全橋橋墩均采用柱式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。本橋平面位于R=260 m圓曲線及A=260 m的緩和曲線上，縱斷面縱坡為2.205%，墩臺徑向布置。

2.2 支承間距的確定

本文將3#墩設(shè)置為對比支座，分別為雙支座支承(支座間距為6.75 m)和獨柱墩支承，其余墩臺支座間距均相同。將3#墩作為橋梁抗傾覆不同支座間距的研究對象，橋梁斷面對比圖和支座布置對比圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 橋梁斷面對比圖(cm)

圖2 支座布置對比圖

2.3 計算參數(shù)

2.3.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

汽車荷載：公路-Ⅰ級。

橋梁寬度：(0.5+凈11.75+0.5+0.25)×2 m

橋面橫坡：單向坡5%～1.71%

其他指標(biāo)按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)的規(guī)定執(zhí)行。

2.3.2 主要材料

混凝土：現(xiàn)澆箱梁采用C50混凝土，橋面鋪裝上層為6 cm瀝青混凝土，下層為12 cm C40防水混凝土。砂、石骨料宜就地取材，但應(yīng)經(jīng)過試驗，并符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》有關(guān)條款要求。

預(yù)應(yīng)力鋼材：采用由省部級鑒定的專業(yè)廠家生產(chǎn)，符合標(biāo)準(zhǔn)的高強度、低松弛(初始荷載為70%，持續(xù)1 000 h的松弛值≤2.5%)270級φs15.2 mm鋼鉸線。標(biāo)準(zhǔn)強度Ryb≥1 860 MPa，單根面積A=139 mm2。

2.3.3 橋梁荷載

(1)一期恒載：混凝土容重取26 kN/m3；

(2)二期恒載：橋面鋪裝為6 cm厚瀝青混凝土+12 cm厚C40混凝土，按照均布荷載施加，荷載取值為50.8 kN/m，每一道護欄荷載取值為10.1 kN/m；

(3)橫隔板荷載：橫隔板荷載采用梁單元荷載模擬，取126.2 kN/m；

(4)預(yù)應(yīng)力荷載：預(yù)應(yīng)力采用兩端張拉，控制應(yīng)力為1 357.8 MPa；

(5)整體溫度：整體升溫取25 ℃，整體降溫取-23 ℃；

(6)溫度梯度：按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)計算取用；

(7)支座沉降：按沉降5 mm考慮；

(8)移動荷載：公路-Ⅰ級；

(9)沖擊系數(shù)：按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)計算取用，車道加載考慮汽車偏載效應(yīng)，按照規(guī)范橫橋向加載三個車道進行計算，布置如圖3所示。

圖3 車道布置圖(m)

2.4 建立全橋空間有限元模型

上部結(jié)構(gòu)采用Midas Civil 2019軟件模擬，恒載考慮自重荷載、二期鋪裝、防撞護欄、橫隔板荷載、基礎(chǔ)變位以及預(yù)應(yīng)力荷載，活載為移動荷載、溫度梯度和整體升降溫，作用荷載組合由程序自動組合，支座采用一般支撐模擬，建立全橋空間模型，如圖4、圖5所示。

圖4 3#墩雙支座計算模型圖

圖5 3#墩單支座計算模型圖

2.5 計算結(jié)果

2.5.1 3#墩布置雙支座

(1)支座脫空驗算(見表2)

“盛老師特別幽默，把本來特別枯燥的化學(xué)知識用有趣的方式展示給我們，一節(jié)課下來特別輕松，學(xué)到的知識也多，還記得特別牢。”高一年級的學(xué)生徐俊潔說。

表2 3#墩雙支座脫空驗算表

由表2可知，支座4-1的支座反力值最不利，為1 513 kN，處于受壓狀態(tài)，因此在基本荷載作用下，支座始終保持受壓狀態(tài)，符合規(guī)范要求。

(2)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算(見表3)

由表3可知，支座4-1位置的穩(wěn)定系數(shù)最小為14.3，大于kqf=2.5，符合規(guī)范要求，因此結(jié)構(gòu)不存在傾覆的風(fēng)險。

表3 3#墩雙支座穩(wěn)定系數(shù)驗算表

2.5.2 3#墩布置單支座

(1)支座脫空驗算(見表4)

由表4可知，支座4-1的支座反力值最不利，為1 156 kN，處于受壓狀態(tài)，因此在基本荷載作用下，三個受壓支座始終保持受壓狀態(tài)，符合規(guī)范要求。

表4 3#墩單支座脫空驗算表

(2)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算(見表5)

表5 3#墩單支座穩(wěn)定系數(shù)驗算表

由表5可知，支座2-1位置的穩(wěn)定系數(shù)最小，為5.9，大于kqf=2.5，符合規(guī)范要求。

從表3和表5中可以看出，3#墩雙支座條件下全橋穩(wěn)定系數(shù)最小為14.3，3#墩單支座的條件下，全橋穩(wěn)定系數(shù)最小為5.9。由此表明：公路橋梁在同等平曲線半徑下，雙支座安全條件更優(yōu)于單支座，在設(shè)計過程中應(yīng)在條件允許的情況下優(yōu)先考慮設(shè)置雙支座[2]。

3 公路獨柱墩橋梁鋼結(jié)構(gòu)支撐加固改造施工方法

3.1 獨柱墩加混凝土蓋梁改單支座為雙支座

為了提高獨柱墩抗傾覆能力，首先考慮增加獨柱墩的橫向抗傾覆能力，最有效、最直接的方法就是將單支座改為雙支座，這樣另外一個支座就可以分擔(dān)一部分上部傳遞下來的荷載，提高支座的使用年限，也能有效削弱上部荷載引起的偏心力。

公路獨柱墩橋梁將單支座改為雙支座還能提高橋梁的抗傾覆能力，該加固方法的示意圖如圖6所示。該方法是在原有的墩柱上新增一個鋼筋混凝土蓋梁，將原有的支座拆除，在箱梁兩腹板位置分別設(shè)置一個支座，能夠起到很好的荷載傳遞作用，同時還能承擔(dān)一部分的荷載。

圖6 獨柱墩加固示意圖(cm)

3.2 增設(shè)鋼支撐

在對已建成的獨柱墩橋梁加固的過程中，可以考慮通過增加鋼支撐的方式來提高獨柱墩的抗傾覆能力。該方式主要是將鋼支撐根部的鋼筋植入到橋墩內(nèi)，使鋼支撐和橋墩連接成一個整體，以提高橋墩頂和梁底的接觸面積，從而提高梁體的抗傾覆能力。獨柱梁橋增設(shè)鋼支撐結(jié)構(gòu)如圖7所示。增加鋼支撐主要適用于公路橋梁橋墩無法增加混凝土蓋梁，且橋墩墩高較高的情況。通過對墩柱增加鋼支撐，可以加強主梁和墩柱的連接性能，提高支座的使用年限，從而使上部結(jié)構(gòu)抗傾覆能力增強[3]。

圖7 獨柱墩增設(shè)鋼支撐示意圖(cm)

4 結(jié)語

本文從近些年在役橋梁傾覆事故出發(fā)，分析了橋梁傾覆的主要原因，并結(jié)合廣西某高速公路項目實例，分析了支座布置方式對橋梁設(shè)計過程中的抗傾覆性能的影響，以及對現(xiàn)已建成獨柱墩橋梁提出加固措施建議，得到結(jié)論如下：

(1)公路橋梁在同等平曲線半徑下，雙支座安全條件更優(yōu)于單支座，在設(shè)計過程中應(yīng)在條件允許的情況下優(yōu)先考慮設(shè)置雙支座[4]。

(2)已建成的獨柱墩橋梁，應(yīng)按照新版規(guī)范進行抗傾覆驗算，對不滿足要求的應(yīng)采用增加蓋梁或增設(shè)鋼支撐的加固方式進行處理。