某城市高架橋梁傾覆風險評估及治理對策研究

謝曙輝

(華設檢測科技有限公司 南京市 210014)

0 引言

獨柱墩橋梁具有土地占用少、工程造價低、造型優美等優勢,多應用于城市高架橋梁及匝道橋梁中。日本城市高架先使用了獨柱墩橋梁,其他發達國家逐步開始采用此類橋梁。獨柱墩橋梁在我國同樣得到了迅猛發展,二十世紀八十年代初,有關獨柱墩橋梁的計算分析理論初步形成;到二十世紀九十年代,實際工程中逐漸采用獨柱墩橋梁形式,設計計算分析方法也日益成熟;進入二十一世紀后,獨柱墩橋梁在全國各地橋梁工程中得到廣泛應用[1]。

隨著我國經濟發展加快,獨柱墩橋梁建設規模增大,加之交通流量急劇增多,特別是車輛超載現象頻發,獨柱墩橋梁傾覆事故逐漸增多,獨柱墩橋梁的工程應用更為謹慎,獨柱墩橋梁的研究重點從整體設計分析逐步轉向橫向抗傾覆設計與加固方法研究。

文章闡述了長三角地區某特大城市高架獨柱墩橋梁傾覆風險排查方法以及對存在橫向失穩風險橋梁相應治理措施的制定策略,相關方法思路可為從業人員提供參考借鑒。

1 傾覆機理及驗算方法

1.1 傾覆機理

獨柱墩橋梁具有鮮明的結構特點,通常其橋面寬度窄、設計車道數較少,平面布置采用直線梁或小半徑曲線梁形式。上部結構采用整體式連續箱形梁,下部結構在中間墩位置部分采用單柱墩形式。單柱墩位置的主梁支承方式有墩梁固結和支座支承兩種,其中支座支承又可分為單支座支承和多支座支承,在橋臺或過渡墩位置的主梁支承方式為多支座支承。

在密集重車作用下,汽車活載將對獨柱墩橋梁產生離心力及偏載效應。當車輛荷載產生的傾覆力矩大于梁體自重抗傾覆力矩時,邊支點支座容易出現部分脫空現象,中支點墩梁固結部位容易出現混凝土開裂現象。隨著車輛荷載產生的傾覆力矩逐漸增大,邊支點支座脫空程度將進一步加重,中支點墩梁固結處將出現混凝土偏壓破壞,進而導致橋梁失去橫向穩定性,橋梁逐步由結構轉變成機構狀態,最終發生橋梁的橫向傾覆,獨柱墩橋梁的傾覆破壞具有連續性及不可逆性。獨柱墩橋梁的傾覆現象,可歸結為力學中結構整體穩定問題。獨柱墩橋梁的橫向傾覆,與第二類穩定問題類似,傾覆過程中會出現邊界非線性和材料非線性現象[2]。

1.2 驗算方法

國內外均有關于獨柱墩橋梁的抗傾覆穩定性的驗算方法和標準,相關驗算指標差異較大[3],文章采取的驗算思路為依據《公路混凝土橋梁及預應力混凝土橋梁設計規范》[4](JTG 3362—2018)(以下簡稱《混規》)有關規定,同時結合交通運輸部發布的《公路危舊橋梁排查和改造技術要求》[5](以下簡稱《要求》)中相關指導意見。

驗算荷載標準依據《要求》取值列于表1。抗傾覆驗算技術路徑見圖1。首先進行橋梁基礎資料搜集及現場復核工作;其次判斷橋梁支承類型,通過有限元方法針對性地進行分析,具體而言,對于支座支承橋梁,其抗傾覆驗算方法按《混規》的4.1.8條款執行,對橋梁支座脫壓及橫向抗傾覆穩定性系數進行驗算。對于墩梁固結橋梁,其抗傾覆驗算方法按《要求》的附錄C執行,重點對固結墩結構抗力進行驗算。

圖1 獨柱墩橋梁抗傾覆驗算技術路徑

表1 抗傾覆驗算的汽車荷載取值標準

1.3 驗算示例

某橋為3×20m預應力鋼筋混凝土等截面連續箱梁,橋面寬度16.5m,箱梁一般橫斷面如圖2所示,支座布置形式如表2所示。采用Midas Civil進行計算分析,有限元模型如圖3所示。分別考慮汽車活載左右偏載兩種狀況,分析工況示意見圖4,計算結果見表3、表4。

圖2 箱梁一般橫斷面(單位:cm)

圖3 有限元模型

圖4 特征狀態2支座示意圖

表2 箱梁支座布置信息表

表3 結構抗傾覆驗算結果表—右偏失效

驗算結果表明,活載右偏驗算工況下結構抗傾覆性滿足規范要求;活載左偏驗算工況下特征狀態1出現負支反力(支座脫壓),特征狀態2穩定性系數小于2.5,不滿足規范要求;故本橋結構抗傾覆不滿足規范要求。

2 傾覆風險因素分析

獨柱墩橋梁的橫向穩定性受多種因素影響,不限于橋梁設計荷載等級、實際交通荷載水平、橋梁平面及橫向布置形式、橋面寬度、橋梁支承形式、支座間距等。

基于某城市高架橋梁抗傾覆驗算結果,文章分析了該城市高架橋梁總體抗傾覆驗算結果及橫向抗傾覆穩定性系數K的分布情況,考察了橋梁設計年代、直彎橋型、支承形式、橋面寬度、橋面寬度/支座間距與傾覆驗算結果的相關性。具體結果如圖5～圖8所示。

圖5 項目橋梁抗傾覆驗算總體情況

圖6 直彎橋梁抗傾覆驗算結果分布

圖7 橋梁不同支承形式下抗傾覆驗算結果分布

圖8 不同橋面寬度、支座間距對抗傾覆驗算結果的影響

從驗算結果可知,橋梁抗傾覆驗算總體通過率僅為46.33%,驗算未通過的橋梁中,僅狀態1驗算(支座脫壓驗算,下同)未通過的占40.83%,僅狀態2驗算(穩定性系數驗算,下同)未通過的占3.21%,狀態1與狀態2驗算均未通過的占9.63%。在驗算荷載下,未通過驗算橋梁出現支座負反力的情形較為普遍,狀態2驗算未通過的橋梁,其K值集中分布在0.5～2.0之間。

文章選取《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)的實施時間為橋梁設計年代影響的分界點,此規范較前期《公路橋涵設計通用規范》(JTJ 021—89)對設計汽車荷載作了有較大改進。驗算結果表明,設計年代在2004年(含)之前的橋梁共167聯,抗傾覆驗算未通過率為60.48%,2004年之后的橋梁共51聯,未通過率為31.38%。驗算未通過橋梁中,2004年(含)之前設計的占絕大多數。

直線橋驗算未通過率為46.99%,曲線橋驗算未通過率為57.78%,曲線橋的驗算通過率明顯小于直線橋。不含單支座的橋梁較為普遍,占總數的80.28%,不含單支座橋梁抗傾覆驗算未通過率為52.00%,含單支座橋梁驗算未通過率為60.47%,由此可見,不僅僅是單支座支承橋梁,對于不含單支座橋梁的橫向傾覆問題同樣亟需重視。

綜合考察了橋面寬度、支座間距以及兩者之間相對關系對橋梁傾覆驗算結果的影響。從驗算結果可知,橋梁橋面寬度B≤10m的情形下,支座間距D≤2m的驗算未通過率為69.47%,橋面寬度B>10m的情形為100%;橋梁橋面寬度B≤10m的情形下,2m<支座間距D≤4m的驗算未通過率為32.47%,橋面寬度B>10m的情形為78.57%;橋梁橋面寬度B≤10m的情形下,支座間距D>4m的驗算未通過率為50%,橋面寬度B>10m的情形為25%;支座間距越小,橋梁抗傾覆驗算未通過率越高。隨著橋面寬度B與支座間距D的比值的增大,橋梁抗傾覆驗算未通過率由53.33%逐漸增長至100%,比值越大,抗傾覆驗算未通過率越高。

3 抗傾治理策略制定

結合高架橋梁傾覆風險排查總體結果,該城市行業主管部門在制定橋梁抗傾覆治理策略過程中,綜合考慮橋梁支承形式、穩定性系數等參數影響程度以及年度財政計劃,提出了“分步走”的治理方案。

對于抗傾覆驗算未通過的橋梁,優先治理特征狀態1及狀態2驗算均未通過以及固結墩抗力驗算未通過的橋梁,其次治理特征狀態1驗算未通過且特征狀態2情形下,穩定性系數K<5的橋梁,最后治理剩余的橋梁。

在橋梁抗傾覆加固治理思路上,對于狀態1驗算未通過且支座拉力較小時,考慮增設抗拔約束裝置進行加固;對于單支座支承橋梁,考慮采用多墩加蓋梁改多支承的方式進行加固;對于多支座支承橋梁,考慮采用拉大支座間距的方式進行加固;對于墩梁固結橋梁,考慮采用單墩加強改多支承的方式進行加固[6]。

4 結語

(1)文章總結了獨柱墩橋梁的結構特點及傾覆特征,結合規范及行業要求,歸納提煉了橋梁抗傾覆驗算的工作路徑。

(2)基于某城市高架橋梁傾覆風險排查工作,介紹了項目橋梁驗算結果總體情況,分析了橋梁設計年代、結構形式參數等因素對抗傾覆驗算結果的影響。

(3)在橋梁抗傾治理策略制定過程中,某城市行業主管部門采取了“分步走”的綜合治理策略,協調了橋梁行車安全與抗傾治理進度。