橫向三支座體系箱梁橋抗傾覆加固計算模式研究

扈軒誠 高 宇 賀小衛 王虎軍

（西安市政設計研究院有限公司，陜西 西安 710068）

0 引言

近年來獨柱墩橋梁遇超載傾覆事故時有發生，造成重大生命財產損失。為防控橋梁運營中傾覆的風險，需要采取適當措施來提高獨柱墩橋梁的抗傾覆能力。為此，國內不少專家學者進行了很多的研究。周勇軍等[1]總結典型橋梁傾覆事故，從傾覆破壞機理、影響傾覆穩定性因素和抗傾覆控制3個方面歸納獨柱墩橋梁的研究現狀，建議基于可靠度理論、傾覆破壞模式、合理傾覆軸力學模型來完善相關計算理論和方法。呂平[2]對218座橋梁開展橋梁抗傾覆性能分析，依據分析結果，采取控制變量法，分析曲率半徑、支座間距、跨徑組合方式、橋寬、溫度、過度超載對獨柱墩連續梁橋傾覆性能的影響。杜軍[3]結合具體工程實例，提出了不同的加固改造方案，總結了兩種特征狀態下超過規范限值的、有傾覆風險的橋梁處治方式。徐德志[4]以剛性假設為基礎,討論箱梁整體抗傾覆穩定性計算公式，并對各影響因素進行參數分析，通過幾何分析及公式推導,得出抗傾覆穩定最不利半徑計算公式，并編制參數化最不利半徑參照表，以方便使用。官快等[5]建立了獨柱墩梁橋非線性有限元模型，分析抗傾覆全過程力學機理，結果表明傾覆內力、變形包括端支座脫空前后兩個階段，中墩剛度以及設預偏心能明顯提高其抗傾覆穩定性。

然而，以往橋梁設計均采用橫向單支座或橫向雙支座體系，很少采用橫向三支座體系。抗傾覆加固改造中為利用既有橋梁支座，不改變或少改變橋梁結構體系，多采用新增蓋梁并在蓋梁上原獨柱墩墩頂兩側各增加一個支座的形式進行加固處治，這樣就形成了橫向三支座體系。本文以西安三環上一座獨柱墩梁橋為例，模擬加固后三支座體系的受力狀態，探究橫向三支座在橋梁抗傾覆中發生作用的模式，并進一步進行抗傾覆驗算，針對驗算結果，提出合適的抗傾覆加固計算模式。

1 工程概況

廣運大橋跨灞柳西路引橋第二聯跨徑布置為28m+25m+22m，橋梁寬度16.5m。上部結構采用預應力混凝土連續箱梁，斷面為單箱雙室斜腹箱形。箱梁高度1.3m，外側懸臂長3.5m。懸臂端部厚0.18m，根部厚0.45m，箱梁底板厚度0.2～0.4m，頂板厚度0.22m，腹板厚度0.45～0.70m。下部結構采用獨柱圓墩，墩徑為1.8m，橋臺為樁柱式橋臺。橋梁平面位于直線段上。

圖1 廣運橋引橋橫斷面布置圖

由于現狀獨柱墩跨越道路，在滿足加固需求的前提下，為達到較好的景觀效果，加固方案為獨柱墩增設鋼蓋梁，并在鋼蓋梁上設置支點的加固方式。這種加固方式的特點是希望保留原橋支座使其繼續承擔原橋恒載，而原橋支座及兩側新增支座能共同承擔活載，在不改變原結構受力體系的情況下可顯著提高上部結構抗傾覆性能。

施工工序為：（1）搭設必要的施工支架；（2）施工前，現場測鋼蓋梁投影位置，核對建筑限界情況；（3）核查現場支座病害情況、墩柱尺寸、支撐總高度與設計相符性，以便對支座墊石高度進行修正；（4）中橫梁梁底灌注粘貼鋼板；（5）安裝鋼蓋梁部位墩柱混凝土鑿毛清理，之后進行鋼蓋梁施工；（6）安裝新支座并采用鋼板塞實，使其與梁底緊密貼合。

2 加固目標及原則

2.1 加固目標

經過加固后的橋梁需要滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)第4.1.8條規定：在持久狀況下，橋梁不應發生結構體系改變，并應同時滿足下列規定：

（1）在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態；

（2）作用標準值按作用標準組合進行組合時（按2018 規范第7.1.1 條取用），整體式截面簡支梁和連續梁的作用效應應符合式（4.1.8）的要求：

式中：kqf——橫橋向抗傾覆穩定系數；

ΣSbk,i——使上部結構穩定的效應設計值；

ΣSsk,i——使上部結構失穩的效應設計值。

2.2 加固原則

綜合考慮獨柱墩橋梁抗傾覆驗算結果及橋梁實際運營狀況，在解決支座脫壓問題及橋墩裂縫寬度驗算滿足規范要求問題的前提下，保證技術可行、安全可靠，力求施工方便快捷，同時將加固施工對交通運營的影響降至最低。

3 獨柱墩傾覆模式

結構采用Midas CIVIL 2021有限元分析軟件進行抗傾覆計算。全橋劃分梁單元數量75 個。恒載考慮自重、二期、預應力、支座沉降，活載考慮汽車活載、溫度荷載。其中恒載：鋼筋混凝土：γ=26kN/m3；支座沉降5mm；活載：按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）車道最不利偏載設置。

加固前橋臺處支座為雙支座，間距為6.2m。中間墩頂支座為單支座，加固后為三支座。支座按彈性連接+一般支撐的形式模擬，有限元模型及編號如圖2所示。

圖2 箱梁整體有限元模型

在進行橋梁抗傾覆分析的過程中，多支座系統不像《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》后附算例的雙支座系統那樣有明確簡潔的受力模式，橋梁模型在偏載下產生的縱向墩頂反力會在橫向多支座間的分配與轉換上存在多種可能。由于直線箱梁結構及外荷載關于橋梁中心線對稱，產生的效應同樣對稱，故本文僅以橋梁整體沿中心線向右側傾覆為例進行分析。具體來說，支座約束條件對抗傾覆穩定系數的影響存在以下3種計算模式：

（1）加固后1、4 號支座為雙支座受力體系，2、3 號為三支座受力體系。當橋梁向右傾覆時，左側2-1、2、3-1、3支座同步脫空，存在負反力。

（2）加固后1、4 號支座為雙支座受力體系，2、3 號為三支座受力體系。當橋梁向右傾覆時，左側2-1、3-1支座早已脫空，不參與受力，此時2、3 支座簡化為雙支座受力體系。

（3）加固后1、4 號支座為雙支座受力體系，2、3 號為三支座受力體系。當橋梁向右傾覆時，左側2-1、3-1支座脫空，存在負反力，中間2、3 支座由于臨界狀態內力重分布不參與受力，此時2、3 支座橫向簡化為雙支座受力體系。

4 抗傾覆計算結果及分析

4.1 抗傾覆計算結果

采用并發反力組的方式提取支座反力最小值，對以上3種模式傾覆結果分析如下：

（1）第一種情況抗傾覆計算結果，見表1；

表1 第一種模式箱梁抗傾覆計算結果

（2）第二種模式抗傾覆計算結果，見表2；

表2 第二種模式箱梁抗傾覆計算結果

（3）第三種模式抗傾覆計算結果，見表3。

表3 第三種模式箱梁抗傾覆計算結果

采用并發反力組的方式提取偏載下支座反力最大值，第一、二、三種模式下新增支座的反力最大值分別為934kN、904kN、1122kN。

4.2 結果分析

對以上3 種橋梁傾覆時支座反力分布形式穩定系數計算結果進行分析，可以得到如下結論：

（1）第一、二、三種模式下選定效應M0數值分別為63977,63987,64686，相差不超過1.1%，十分接近；特征狀態2 抗傾覆穩定系數最小值分別11.1、11.1、11.3，十分接近。可以看出，采用不同計算模式對結構最小抗傾覆系數影響不大。

（2）第一、二、三種模式下特征狀態2 抗傾覆穩定系數最大值分別為29.1、21.7、17.3，依次減小，同時第三種模式穩定系數在多種偏載工況下數值分布上、下限最為接近，最為均勻。可知在只考慮箱梁抗傾覆問題下，第三種模式計算相對更為合理。

（3）由于本箱梁橋橫梁剛度較為均勻，第三種模式下由于臨界狀態內力重分布導致中間2、3號支座不參與受力的模式理論上難以發生，若采用此方式計算，支座反力由中支點重新分布至蓋梁兩側支點，原結構的橫梁將發生內力重分布，需按新的支座反力進行結構計算并滿足規范要求的計算內容。這也是需重點考慮的。

（4）按第二種模式計算，更好地實現了本文希望使原支座承擔原橋恒載，使原支座及兩側新增支座共同承擔活載的目標，接近于實際施工要求；且最小抗傾覆穩定系數與其他兩種基本一致。故在實際橋梁分析計算中，可按第二種模式進行抗傾覆計算，即橋梁處于傾覆狀態時橫向三支座體系可簡化為中間支座和傾覆側單支座組成的兩支座體系，并得到可靠的抗傾覆穩定系數最小值。

（5）第一、二、三種模式下新增支座的反力最大值分別為934kN、904kN、1122kN。忽略第三種模式內力重分布造成的影響，可知在第二種模式下，支座最大反力與第一種模式相比差距不大，可直接提高5%用于下一步支座選型及蓋梁設計、橋墩驗算等后續內容。

5 結束語

本文以廣運橋引橋獨柱墩梁橋為例，進行三支座條件下不同模式下的抗傾覆驗算，得出以下主要結論：3 種模式下特征狀態2 計算上差別不大；在只考慮抗傾覆問題下，第三種模式相對更為合理，但由于第三種模式下中支座不參與受力理論上難以發生，且原結構的橫梁內力發生重分布，需按新的支座反力進行結構計算并滿足規范要求。第二種模式實現了原支座承擔恒載，原支座及新增支座共同承擔活載的目標，最小抗傾覆穩定系數與其他兩種基本一致。故在實際橋梁分析中，可按第二種模式進行抗傾覆計算，并得到可靠的抗傾覆穩定系數最小值。在第二種模式下，支座最大反力可直接提高5%來用于下一步的支座選型及蓋梁設計、橋墩驗算等內容。