獨柱墩式連續(xù)梁橋抗傾覆分析及加固治理設(shè)計

張海偉，嚴(yán)偉飛，史錦飛

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州311112；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，杭州310006)

獨柱墩式連續(xù)梁橋抗傾覆分析及加固治理設(shè)計

張海偉1，嚴(yán)偉飛2，史錦飛2

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州311112；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，杭州310006)

摘要:為了減少獨柱墩式連續(xù)梁橋傾覆事故時有發(fā)生的現(xiàn)狀，以實際工程中典型的匝道橋為背景，通過對該類橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析以及主梁傾覆穩(wěn)定性分析，研究其結(jié)構(gòu)傾覆的本質(zhì)特征，并根據(jù)驗算結(jié)果提出了相應(yīng)的加固處理措施，可供新橋梁的設(shè)計以及已有橋梁加固治理設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：獨柱墩；傾覆穩(wěn)定分析；加固治理

0引言

獨柱墩式連續(xù)梁橋以其外形簡潔美觀、占用橋下空間小、便于下部結(jié)構(gòu)布局等特點，廣泛應(yīng)用于城市立交橋以及高速公路匝道橋中。但由于獨柱墩在橫橋向采用單支點支撐，在汽車偏心荷載作用下，獨柱墩式連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆穩(wěn)定非常不利。而我國大部分橋梁工設(shè)計者比較著重于結(jié)構(gòu)的持久狀況承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的驗算，而對橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性關(guān)注較小。本文以某高速公路匝道橋中典型的獨柱墩式連續(xù)梁橋為例，研究其結(jié)構(gòu)傾覆的本質(zhì)特征，并提出了相應(yīng)的加固處理措施，可供新橋梁的設(shè)計以及已有橋梁加固治理設(shè)計提供參考。

1傾覆匝道橋的工程概況

該匝道上部結(jié)構(gòu)采用橋跨布置為6×20 m等截面鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋，橋?qū)?.0 m，單箱單室結(jié)構(gòu)，箱梁高1.3 m，箱梁底寬4.0 m，平面位于直線內(nèi)。0#橋臺和6#橋墩(雙柱墩)采用雙支座，中心間距為2.8 m，中間1#～5#墩均為獨柱單支座，中墩支座為GYZ650x120，圓墩柱直徑為1.2 m，其截面特性如下：

A(m2)I(m4)E(N/m2)主梁3.7450.76633.45×1010

2結(jié)構(gòu)驗算及其傾覆破壞特征研究

(1)計算模型及傾覆時驗算荷載

鑒于該匝道橋主要研究汽車活荷載在偏載作用下，橋梁傾覆時的支座支反力情況和主梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。本橋采用梁格法中的脊梁模式進(jìn)行計算，全橋共85個單元，86個節(jié)點，具體模型如圖1所示。根據(jù)某匝道橋發(fā)生傾覆時的反饋信息，采用自定義的荷載如下：采用車輛荷載3輛掛車125 t編隊作為驗算荷載，按照掛車距離外側(cè)護(hù)欄邊緣1 m進(jìn)行橫向布置， 縱向布置間距為5 m，單列布置。

圖1　計算模型

在該自定義荷載作用下，在橋臺支座脫空后，匝道橋梁板在最不利荷載作用下的瞬間破壞狀態(tài)力學(xué)結(jié)果如圖2～5所示。在自定義荷載作用下的橋臺處主梁梁端轉(zhuǎn)角為0.154 rad，主梁中墩最大支反力為5102.1kN，邊墩最大支反力為4634.9kN，由于橋臺部分支座脫空后，其結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生了明顯的變化，主梁邊跨中跨處的最大彎矩往1號墩位置移動，彎矩值也瞬間急劇變大為17833kN，此外，主梁在1號墩墩頂處的負(fù)彎矩變成了正彎矩，而中墩處的主梁彎矩相應(yīng)的變小。

圖2　自定義荷載作用下的橋臺處主梁中心變形結(jié)果

圖3　自定義荷載作用下的支反力

圖4　自定義荷載作用下的橋臺主梁彎矩My(kN·m)

根據(jù)圖示，在自定義荷載作用下，0#橋臺和6#墩左側(cè)支座均出現(xiàn)負(fù)反力?？紤]該支座脫空后，主要計算結(jié)果如下：(1)梁端轉(zhuǎn)角為0.154 rad(8.8度)，轉(zhuǎn)角正切值(0.16)大于支座的摩擦系數(shù)(中墩為0.2，邊墩為0.06)；梁體轉(zhuǎn)角大于《公路橋梁板式橡膠支座》(JT/T 4-93)中允許轉(zhuǎn)角的正切值，支座處于偏壓、脫空狀態(tài)。完全脫空支座處上翹431 mm。(2)多處支座反力超過了其承載能力。(3)部分梁段的彎矩組合值已經(jīng)超過截面抗彎承載能力。

由力學(xué)結(jié)果可知，中墩鉸接直線獨柱支承梁式橋在偏心荷載作用下，隨著主梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的增加，邊支座出現(xiàn)脫空，導(dǎo)致主梁支承體系發(fā)生變化，隨著荷載的進(jìn)一步增加，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為機(jī)動體系，無法再次達(dá)到平衡狀態(tài)，從而發(fā)生傾覆破壞。中墩鉸接直線獨柱支承梁式橋在整個傾覆過程中主梁旋轉(zhuǎn)軸基本不變，邊支座脫空后經(jīng)過很短的歷程即發(fā)生整體傾覆破壞。中墩鉸接曲線獨柱支承梁式橋在偏心荷載作用下，隨著主梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的增加，邊支座首先出現(xiàn)脫空，結(jié)構(gòu)主梁支承體系發(fā)生變化；隨著荷載的進(jìn)一步增加，結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生變化，從而形成新的平衡狀態(tài)，當(dāng)荷載增量導(dǎo)致不能再次達(dá)到平衡狀態(tài)，或因中墩支座破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)強(qiáng)度破壞時，橋梁發(fā)生整體傾覆。

為了控制橋臺(邊墩)處支座脫空，引起結(jié)構(gòu)支撐體系發(fā)生變化，采用以下兩種方式有效的避免結(jié)構(gòu)破壞極其傾覆：(1)橋面寬度一定時，盡量的增大支承間距，避免邊支座脫空，以防主梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變化(2)支承間距一定時，可通過增加中墩支座個數(shù)，以防旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生變化。

3加固治理設(shè)計

基于本橋在自定義荷載作用下存在安全隱患，為了保證結(jié)構(gòu)安全，施工方便可行，應(yīng)采取有效手段解決獨柱結(jié)構(gòu)主梁發(fā)生傾覆的安全隱患。結(jié)合傾覆破壞特征研究結(jié)果，獨柱墩式連續(xù)梁橋可采用以下兩種治理方案設(shè)計：(1)在橋臺(邊墩)處橫隔板橫橋向兩側(cè)拼寬，橫橋向兩側(cè)增加支座，加大支承間距；(2)在中墩柱處橫橋向兩側(cè)拼寬，靠近腹板處增設(shè)支座，以分擔(dān)活載偏載作用，確保主梁在極端荷載作用下結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸不發(fā)生變化，避免發(fā)生傾覆。

圖5　橋臺(邊墩)處橫隔板橫橋向拼寬

圖6　中墩柱處橫橋向兩側(cè)拼寬

根據(jù)上述兩種方案的任何一種方案，對加固后的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析，在自定義傾覆性驗算荷載作用下，橋臺(邊墩)處支座未出現(xiàn)脫空現(xiàn)狀，結(jié)構(gòu)體系未發(fā)生變化，梁板結(jié)構(gòu)受力未發(fā)生畸變，主梁和支座的承載能力驗算均滿足規(guī)范的要求，主梁不會發(fā)生傾覆。

4結(jié)語

獨柱墩式連續(xù)梁橋傾覆破壞為瞬時行為，其破壞程度及其社會影響較大，本文以發(fā)生傾覆的超載荷載橋梁為背景，通過對該類橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，剖析了其梁橋發(fā)生傾覆穩(wěn)定的機(jī)理，其具體研究結(jié)論如下：

(1)通過瞬間破壞狀態(tài)下的力學(xué)計算表明，橋臺支座脫空，引起獨柱墩橋梁支撐體系發(fā)生變化，引起傾覆，因此橋梁設(shè)計者可通過控制橋臺(邊墩)處支座是否出現(xiàn)負(fù)反力作為必要條件，以驗證獨柱墩橋梁是否會發(fā)生傾覆穩(wěn)定。

(2)獨柱墩式連續(xù)梁橋在后期維護(hù)中可按本文提出的橋臺處橫隔板拼寬增設(shè)支座方案和中墩兩側(cè)拼寬增設(shè)支座方案進(jìn)行加固治理設(shè)計，力學(xué)清晰明了，施工簡便可靠。

參考文獻(xiàn)：

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Analysis for Overturning Stability of the Beam Bridge

Supported By Single-Column Pier and Reinforcement Design

ZHANG Hai-Wei1,YAN Wei-fei2,SHI Jin-Fei2

(1 Zhejiang Institute of communications,Hangzhou 311112, China;

2 Zhejiang Provincial Plan Design&Research institute of Communications, Hangzhou 310006, China)

Abstract:In order to reduce the risk of the overturning of the beam bridge supported by single-column pier, The structural mechanics analysis and overturning stability of the beam is deduced in this paper, and the overturning stability is studied based on the typical ramp bridge of the practical engineering. provide references for the design of the new bridge and reinforcement design of the old bridge.

Key words:single-column pier; overturning stability;reinforcement design

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，第16卷第1期，2015年3月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.16 No.1,Mar.2015

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，第16卷第1期，2015年3月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.16 No.1,Mar.2015

基金項目：浙江省交通運輸廳科技計劃(2013H29-2 )

作者簡介：胡嘉平(1976-)，男，浙江舟山人,高級工程師,E-mail:33704145@qq.com。 羅杰(1974-)，男，浙江湖州人，高級工程師，E-mail:1271284125@qq.com。

收稿日期：2014-11-17 2015-01-05

文章編號：1671-234X(2015)01-005-03

中圖分類號:U442.5?

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2015.01.002