獨(dú)柱墩曲線橋鋼蓋梁加固方案設(shè)計(jì)

王文彪，韓 鵬，李 攀

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

0 引 言

我國(guó)大型城市立交曲線橋梁的下部結(jié)構(gòu)較多采用了獨(dú)柱墩結(jié)構(gòu)，該形式具有減少占地、增加視野和橋梁美觀的優(yōu)點(diǎn)。但近年來(lái)，獨(dú)柱墩支座累積損傷、脫空、滑移導(dǎo)致獨(dú)柱墩橋梁傾覆事件屢次發(fā)生。

獨(dú)柱墩曲線橋梁的總體受力特征有以下幾點(diǎn)：（1）梁體在承受極端荷載時(shí)，不利支座可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力、支座脫空現(xiàn)象，進(jìn)而大大增加梁體整體滑移、傾覆、失穩(wěn)的可能。（2）獨(dú)柱墩受到偏心荷載作用，存在偏壓破壞的可能，且橫向約束梁體的墩柱受梁體反作用力有可能造成其底部的壓彎破壞。（3）上部梁體橫向整體剛性傾斜或者傾覆落梁。（4）偏心超載作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)梁體將承受很大的扭矩作用，橋梁很容易發(fā)生剪扭破壞[1，2]。

而國(guó)內(nèi)目前普遍存在超載現(xiàn)象，在極端偏心超載作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)梁體的質(zhì)心由兩支座之間向支座一側(cè)移動(dòng)，當(dāng)車輛超載到一定程度，質(zhì)心轉(zhuǎn)移到支座外側(cè)，極易導(dǎo)致梁體整體傾覆。而《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[3]和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中均只有禁止支座脫空的描述?，F(xiàn)有公路規(guī)范， 對(duì)橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算要求與安全余地等未作明確規(guī)定。

另外，獨(dú)柱墩曲線橋總是處于彎扭耦合的受力狀態(tài)下，而單點(diǎn)支撐方式不能有效的抵抗上部結(jié)構(gòu)的扭矩，需設(shè)置雙支座來(lái)支撐。而連續(xù)梁的兩端支承處容易產(chǎn)生較大扭矩，若兩端支座不抗扭或抗扭不足，將會(huì)導(dǎo)致支座脫空。進(jìn)而主梁廣義質(zhì)心偏移，原來(lái)的雙支座支撐又變成了單支座支撐。此時(shí)，剩余支撐支座或者反力迅速增大，加速支座破壞；或者支座轉(zhuǎn)角增大，引起梁體滑移[5，6]。

針對(duì)獨(dú)柱墩曲線橋梁可能存在的安全隱患，需要對(duì)傾覆能力不足的獨(dú)柱墩應(yīng)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全。

1 工程概況

某曲線連續(xù)箱梁橋，跨徑為18.2 m+21.0 m+21.0 m+21.0 m+18.0 m；在過(guò)渡墩處設(shè)置伸縮縫，除過(guò)渡墩為雙柱式橋墩外，其它均為獨(dú)柱式單支座橋墩。采用盆式橡膠支座，橋面鋪裝為60 mm 鋼筋混凝土+1 mm防水層+60 mm 瀝青混凝土；設(shè)計(jì)荷載為汽車—超20級(jí)，驗(yàn)算荷載取掛車—120 級(jí)。采用MIDAS 建立該曲線梁橋的三維分析模型，見(jiàn)圖1。

圖1 曲線梁橋三維整體模型

對(duì)橋梁整體情況進(jìn)行靜力荷載分析，并對(duì)不同的汽車驗(yàn)算荷載進(jìn)行計(jì)算對(duì)比[7-9]：（1）I 級(jí)車道荷載（考慮沖擊）、（2）1.3 倍公路 -I 級(jí)車道荷載（考慮沖擊）、（3）1.2 倍汽車超20 級(jí)車輛荷載（考慮沖擊）。

經(jīng)計(jì)算分析得，在（2）和（3）汽車荷載作用下端支座很可能脫空，過(guò)渡墩處由雙支座變成偏心單支座，反力增大，存在失效風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)該曲線橋進(jìn)行加固。

2 總體加固方案

獨(dú)柱墩常用加固方案包括增設(shè)鋼管柱、增設(shè)拉桿以及增設(shè)鋼蓋梁和支座方案[10]?？紤]橋梁所處路段交通流量較大，在技術(shù)可行、安全可靠的前提下，應(yīng)力求施工方便快捷，盡量不中斷交通。本工程采用模塊化鋼蓋梁加可調(diào)高度雙支座方案[11]，見(jiàn)圖2，實(shí)現(xiàn)獨(dú)柱墩輔助支撐，加強(qiáng)防側(cè)滑、抗傾覆安全度。恒載作用下，現(xiàn)有支座仍起主要承載作用；新增設(shè)的左右雙支座在恒載作用下確保與結(jié)構(gòu)貼合，較大偏心荷載作用下，新增設(shè)的左右雙支座開(kāi)始工作，將單點(diǎn)支撐調(diào)整為橫向三點(diǎn)支撐，提高橋梁的抗傾覆能力。

圖2 鋼蓋梁總體加固方案

增設(shè)鋼蓋梁結(jié)構(gòu)相對(duì)于混凝土蓋梁造型簡(jiǎn)潔、自重輕，對(duì)原獨(dú)柱墩結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)增加的額外恒載較??；且鋼結(jié)構(gòu)可工廠預(yù)制，施工簡(jiǎn)易、周期短，方便后期養(yǎng)護(hù)，具有可推廣性。

對(duì)增加鋼蓋梁和雙支座的獨(dú)柱墩橋梁整體進(jìn)行幾種汽車荷載工況下復(fù)核計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)荷載工況下支座均未出現(xiàn)負(fù)反力，不會(huì)發(fā)生脫空，且整體傾覆系數(shù)滿足規(guī)范要求，橋梁抗傾覆穩(wěn)定性得到大幅提升。

同時(shí)，為實(shí)時(shí)了解加固后橋梁的整體安全運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)了一套獨(dú)柱墩安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。以現(xiàn)代傳感技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控了解橋梁和支座等設(shè)施的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、運(yùn)維環(huán)境、運(yùn)行荷載等數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建智慧化綜合管理和服務(wù)平臺(tái)，推進(jìn)城市基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維安全管理的信息化、智慧化提升。通過(guò)現(xiàn)代化的技術(shù)手段使傳統(tǒng)的市政設(shè)施變得可感知和智慧，實(shí)現(xiàn)道路、橋梁和城市服務(wù)機(jī)構(gòu)之間數(shù)據(jù)的共享和溝通。

3 鋼蓋梁設(shè)計(jì)

本工程通過(guò)在原獨(dú)柱墩上設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)蓋梁，鋼蓋梁通過(guò)鋼板圈抱箍力與部分植入錨筋與墩柱連接為一體；新增設(shè)支座通過(guò)鍥塊實(shí)現(xiàn)高度調(diào)整，方便既有橋梁不同高度處的安裝實(shí)施。鋼結(jié)構(gòu)蓋梁采用Q345d 鋼材，鋼結(jié)構(gòu)分為左右兩片在工廠進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制加工，然后運(yùn)抵施工現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行拼裝，最終形成各獨(dú)柱墩三點(diǎn)支撐。鋼蓋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造見(jiàn)圖3。

圖3 鋼蓋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)（單位：mm）

采用高強(qiáng)螺栓將抱箍與原墩柱錨在一起，抱箍上的錨栓為8.8 級(jí)M30 高強(qiáng)螺栓，而抱箍?jī)蓚?cè)采用10.9 級(jí)M30 高強(qiáng)螺栓擰緊，連為一體。原墩柱混凝土為C40。

3.1 鋼蓋梁強(qiáng)度驗(yàn)算

各鋼板厚度均取為16 mm 以下，根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[12]，Q345 鋼抗拉和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為310 N/mm2，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為180 N/mm2，驗(yàn)算各鋼板強(qiáng)度能力。初步選取鋼蓋梁加勁肋間距S=300 mm，其整體強(qiáng)度應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4。

圖4 鋼蓋梁整體應(yīng)力云圖（單位：MP a）

從云圖可知，局部應(yīng)力集中，強(qiáng)度富余量不足。因而對(duì)比分析加勁肋間距S 對(duì)驗(yàn)算結(jié)果的影響，見(jiàn)表1。

表1 各鋼構(gòu)件應(yīng)力對(duì)比表 單位：MP a

分析可知，同等鋼板結(jié)構(gòu)尺寸下，加勁肋間距對(duì)頂板應(yīng)力影響較大，對(duì)腹板和加勁板應(yīng)力影響較小。加勁肋間距S=250 mm 時(shí)各構(gòu)件強(qiáng)度能滿足規(guī)范要求，結(jié)果見(jiàn)圖5。對(duì)鋼蓋梁進(jìn)行精細(xì)化建模和應(yīng)力云圖分析，為鋼蓋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器布設(shè)和監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)值提供了很好的理論基礎(chǔ)和支撐。

3.2 錨栓驗(yàn)算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50367[13]—2013 和《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》JGJ 145—2013[14]對(duì)螺栓整體加固進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)會(huì)受到彎矩和剪力的復(fù)合作用，其主要驗(yàn)算要求包括：

拉剪復(fù)合受力下錨栓鋼材破壞承載力驗(yàn)算公式：

拉剪復(fù)合受力下混凝土破壞承載力驗(yàn)算公式：

根據(jù)錨栓布設(shè)要求，豎向間距確定為300 mm 均布5 排，每排沿環(huán)向均布7 根，對(duì)比分析抱箍環(huán)形鋼板在不同寬度下的驗(yàn)算結(jié)果，見(jiàn)表2 和表3。

表2 錨栓鋼材破壞承載力驗(yàn)算表 單位：kN

表3 混凝土破壞承載力驗(yàn)算表 單位：kN

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，抱箍環(huán)形鋼板寬度為1.5 m 時(shí)，混凝土破壞承載力不足；抱箍環(huán)形鋼板寬度為1.7 m時(shí)，各項(xiàng)驗(yàn)算結(jié)果均通過(guò)要求，對(duì)錨栓布置設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

圖5 鋼蓋梁各構(gòu)件應(yīng)力圖（單位：MP a）

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)某獨(dú)柱墩曲線橋梁的鋼蓋梁加固方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)算，并得到結(jié)論。

（1）針對(duì)該獨(dú)柱墩橋梁存在傾覆風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際需求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件，推薦采用在獨(dú)柱墩上抱箍鋼蓋梁和增設(shè)2 個(gè)支座的加固方案，施工快捷方便，可極大的增加橋梁的抗傾覆能力；

（2）建立鋼蓋梁ANSYS 三維模型，對(duì)比分析不同加勁肋間距對(duì)鋼構(gòu)件應(yīng)力的影響，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了合理的鋼構(gòu)件布設(shè)尺寸，驗(yàn)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，且可根據(jù)構(gòu)件應(yīng)力云圖為獨(dú)柱墩物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供技術(shù)指導(dǎo)和報(bào)警等級(jí)劃分指標(biāo)；

圖6 螺栓展開(kāi)布置設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

（3）采用抱箍和錨栓的方式將鋼蓋梁錨固于獨(dú)柱墩上，根據(jù)規(guī)范對(duì)錨栓鋼材和墩柱混凝土承載力進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)算，確定了合理的抱箍環(huán)形鋼板寬度，其驗(yàn)算結(jié)果滿足規(guī)范要求；

（4）隨著國(guó)內(nèi)對(duì)于獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆性能的注重，越來(lái)越多的獨(dú)柱墩橋梁需要進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，本工程案例可為獨(dú)柱墩曲線橋梁采用鋼蓋梁加固方案提供技術(shù)參考和設(shè)計(jì)驗(yàn)算案例。