獨柱墩橋梁增設(shè)鋼蓋梁設(shè)計及可靠性分析

于幸平　金峰

摘要 以某等高鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)的互通區(qū)獨柱墩橋為例，提出其上增設(shè)鋼蓋梁的加固措施，鋼蓋梁處治方案恒載增加小、施工工期短、加固施工對橋面交通影響小，但是鋼蓋梁結(jié)構(gòu)整體剛度低，并對輔助支座受力較為不利。為此，采用MIDAS-Civil有限元軟件進(jìn)行了加固前后獨柱墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算以及鋼蓋梁受力可靠性分析。結(jié)果表明，獨柱墩是橋梁常見的橋梁下部結(jié)果形式之一，在進(jìn)行獨柱墩抗傾覆驗算時，傾覆系數(shù)取值對傾覆能力影響較大，所得出的傾覆系數(shù)和支座脫空的對應(yīng)關(guān)系并不明確，而以支座脫空作為判斷結(jié)構(gòu)傾覆程度的標(biāo)準(zhǔn)則較為科學(xué)合理。

關(guān)鍵詞 獨柱墩橋梁;鋼蓋梁;加固設(shè)計;可靠性驗算

中圖分類號 U442.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2022）11-0121-03

引言

獨柱墩橋梁上部結(jié)構(gòu)傾覆為復(fù)雜的力學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)橋梁上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾覆前必然會先與支座脫空，脫空后的支座無法對上部結(jié)構(gòu)發(fā)揮應(yīng)有的支撐作用，僅靠剩余支座對上部結(jié)構(gòu)施加約束，引發(fā)剩余支座反力重新分布，這一過程中可能造成支座豎向壓力超出支座設(shè)計強(qiáng)度，引發(fā)支座承壓破壞、支座轉(zhuǎn)角變形過大以及梁體滑移、蓋梁及橋墩強(qiáng)度破壞[1]。增加鋼蓋梁的技術(shù)是近年來學(xué)術(shù)界和工程實踐中均較為推崇的獨柱墩橋梁加固措施，該文通過比較獨柱墩橋梁加固前后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，論證鋼蓋梁加固方案的可行性，并為獨柱墩橋梁加固設(shè)計提供借鑒依據(jù)。

1 工程概況

某互通區(qū)獨柱墩橋為等高鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計荷載與驗算荷載均為公路-Ⅰ級;下部為鋼筋混凝土獨柱墩及肋板式橋臺結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面C40復(fù)合纖維防水混凝土鋪裝層設(shè)計厚度8～14 cm;主梁截面為單箱單室斜腹板形式，箱梁頂?shù)追謩e寬10 m和5.6 m，梁高1.2 m，頂?shù)装搴穸染鶠?0 cm，并在支點處加厚至40 cm;腹板厚30 cm，支點處加厚至50 cm。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，單向受壓支座在標(biāo)準(zhǔn)值作用組合下不應(yīng)處于脫空狀態(tài)，支座橫向轉(zhuǎn)角應(yīng)不超出0.02 rad，固定支座各向水平力及單向支座非滑移向水平力標(biāo)準(zhǔn)值均不應(yīng)超出設(shè)計承載力的10%[2]。

為應(yīng)對該獨柱墩橋梁穩(wěn)定性不足的情況，避免安全事故發(fā)生，應(yīng)采用可靠的加固處理措施，該橋梁主要采用增設(shè)鋼蓋梁的方法，加固效果圖詳見圖1。在加固過程中支點受力體系改變后應(yīng)在主梁腹板范圍內(nèi)設(shè)置支點，防止因主梁底板局部應(yīng)力過大而引發(fā)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞;通過化學(xué)錨栓連接鋼蓋梁和墩柱結(jié)構(gòu)。橋梁正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)均維持原設(shè)計，保證在原設(shè)計荷載下加固后的結(jié)構(gòu)能滿足正常使用要求。

2 抗傾覆穩(wěn)定性驗算

為進(jìn)行獨柱墩增設(shè)鋼蓋梁法加固效果的檢驗，必須進(jìn)行加固前后獨柱墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算?！豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG3362—2018）規(guī)定，在持久運行狀態(tài)下，梁橋結(jié)構(gòu)不應(yīng)表現(xiàn)出體系改變，且單向受壓支座必須保持受壓狀態(tài)，而整體式截面簡支梁及連續(xù)梁均應(yīng)滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。驗算過程中應(yīng)考慮車道荷載、成橋內(nèi)力、支座沉降、溫度梯度及溫度升降標(biāo)準(zhǔn)值作用下支座反力是否表現(xiàn)為負(fù)反力。

2.1 加固前抗傾覆驗算

通過MIDAS-Civil有限元軟件進(jìn)行獨柱墩橋梁結(jié)構(gòu)加固前支座是否脫空計算，并驗算加固措施實施前支座是否符合規(guī)范所規(guī)定的不脫空條件[3]。支座脫空驗算結(jié)果表明0#橋臺左右支座實際支反力分別為?495.2 kN和?478.4 kN，4#橋臺左右支座實際支反力分別為?495.2 kN和?478.4 kN，而1#～3#橋墩支座實際支反力分別為2 981.3 kN、3 054.5 kN和2 981.3 kN。驗算結(jié)果表明，在基本組合情況下，1#～3#橋墩支座實際支反力為正反力，符合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG3362—2018）規(guī)范要求，但0#橋臺和4#橋臺左右支座主要產(chǎn)生負(fù)反力，不符合規(guī)定，也說明該獨柱墩兩側(cè)橋臺支座存在脫空現(xiàn)象。

應(yīng)用MIDAS-Civil有限元軟件進(jìn)行該獨柱墩橋梁加固前抗傾覆驗算，并進(jìn)行橋梁穩(wěn)定系數(shù)是否在2.5以上的判斷。驗算結(jié)果詳見表1。根據(jù)所得到的獨柱墩橋梁增設(shè)鋼蓋梁加固前橋臺各支座最不利工況下穩(wěn)定及失穩(wěn)效應(yīng)分析結(jié)果，0#橋臺和4#橋臺穩(wěn)定性系數(shù)均為0.78，遠(yuǎn)小于2.5的規(guī)范值，說明加固措施實施前該獨柱墩橋梁抗傾覆驗算結(jié)果并不滿足規(guī)范。

根據(jù)以上分析結(jié)果，該獨柱墩橋梁結(jié)構(gòu)0#橋臺和4#橋臺在加固措施實施前均面臨支座脫空、抗傾覆驗算達(dá)不到規(guī)范要求等情況，必須通過加固處理，改善獨柱墩橋梁穩(wěn)定性能。

2.2 加固后抗傾覆驗算

該獨柱墩橋梁增設(shè)鋼蓋梁時在主梁和支座間預(yù)留寬度為2 mm的間隙，使兩側(cè)支座頂部并不與梁底接觸。一側(cè)支座接觸梁底、另一側(cè)脫空的單側(cè)偏載工況能使橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性顯著提升，并使鋼蓋梁負(fù)擔(dān)有效減輕、鋼蓋梁耐久性提升。由于支座脫空驗算過程中舊橋支座若不發(fā)生脫空即視為抗傾覆驗算過關(guān)，故加固后獨柱墩橋梁抗傾覆驗算不考慮邊支座的脫空情況。

應(yīng)用MIDAS-Civil有限元軟件進(jìn)行增設(shè)鋼蓋梁加固后橋梁運營過程中抗傾覆驗算。考慮最不利的單側(cè)偏載情況，根據(jù)規(guī)范進(jìn)行各墩臺支座穩(wěn)定效應(yīng)及失穩(wěn)效應(yīng)計算。計算結(jié)果見表2，根據(jù)結(jié)果，0#橋臺、4#橋臺及1#～3#橋墩支座抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最大值為31.76，最小值為6.57，均超出規(guī)范值，表明通過增設(shè)鋼蓋梁的措施進(jìn)行獨柱墩橋梁加固后抗傾覆驗算符合相關(guān)規(guī)范，加固后橋梁整體穩(wěn)定性能顯著改善。

3 鋼蓋梁受力可靠性分析

考慮到獨柱墩橋梁上增設(shè)鋼蓋梁后，橋梁上部結(jié)構(gòu)自重和活荷載便由鋼蓋梁承擔(dān)，鋼蓋梁結(jié)構(gòu)比混凝土蓋梁結(jié)構(gòu)整體剛度低，并對輔助支座受力存在一定程度的不利影響，為確保鋼蓋梁及橋梁整體的受力穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全，必須進(jìn)行鋼蓋梁受力可靠性驗算。懸臂式鋼蓋梁鋼設(shè)計長度為8.0 m，寬2.5 m，并主要由腹板、頂板、鋼套筒、加勁肋及橫隔板等組成，頂板、腹板及鋼套筒鋼板均采用厚度24 mm的Q345鋼材，其余鋼板厚度在12～16 mm范圍內(nèi)。鋼材主要通過工廠預(yù)制、施工現(xiàn)場組裝的方式，按照設(shè)計要求分別安裝在頂板、腹板、墩頂?shù)炔课弧ｄ撎淄餐ㄟ^坡口焊，其余鋼板結(jié)構(gòu)則采用焊腳尺寸9.0 mm的角焊縫。預(yù)制鋼蓋梁結(jié)構(gòu)通過8.8級M20螺栓現(xiàn)場拼裝焊接，蓋梁和墩柱則通過8.8級M20后擴(kuò)底錨栓連接;通過壓力注膠的方式進(jìn)行鋼板和墩柱混凝土結(jié)合面黏接。該獨柱墩橋梁鋼結(jié)構(gòu)全部采用涂裝防腐涂層的耐候鋼，涂裝層厚340 mm。涂裝體系要求詳見表3。增設(shè)CJZ型（500×500×50）mm（長×寬×高）板式橡膠支座，并增設(shè)鋼筋混凝土墊石，并焊接U型鋼筋作為鋼蓋梁和墊石間的剪力連接鍵，在墊石四周增設(shè)固定鋼板。55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7

通過MIDAS-Civil有限元軟件進(jìn)行鋼蓋梁拉/壓彎構(gòu)件腹板厚度、腹板應(yīng)力、翼緣板彎曲應(yīng)力、構(gòu)件整體穩(wěn)定性分析及疲勞驗算，有限元模型見圖2。值得注意的是，在進(jìn)行鋼蓋梁受力驗算時，必須保證所涉及的各項指標(biāo)均滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）的相關(guān)要求，注重構(gòu)造所要求的計算內(nèi)容。

3.1 腹板應(yīng)力及最小厚度驗算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）的相關(guān)規(guī)定，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁腹板應(yīng)力必須滿足以下條件：

（1）

式中，——腹板應(yīng)力（MPa）;——橋梁鋼結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);——腹板彎曲應(yīng)力（MPa）;——鋼材設(shè)計抗剪強(qiáng)度（MPa）。由式（1）可得，腹板應(yīng)力為35.987 MPa，比鋼材設(shè)計抗剪強(qiáng)度155.00 MPa小，故腹板應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

根據(jù)式（1）所得到的該獨柱墩橋梁腹板應(yīng)力驗算包絡(luò)圖具體見圖3。

根據(jù)規(guī)范，腹板厚度最小值應(yīng)滿足下式：

（2）

式中，——腹板厚度實際值（mm）;——腹板厚度最小值（mm）。經(jīng)計算，腹板厚度最小值為8.5 mm，比腹板實際厚度30 mm小，故滿足規(guī)范要求。該獨柱墩橋梁增設(shè)鋼蓋梁后腹板厚度最小值包絡(luò)圖具體見圖4。

3.2 鋼蓋梁疲勞驗算

根據(jù)規(guī)范，應(yīng)用疲勞荷載計算模型進(jìn)行正應(yīng)力及剪應(yīng)力疲勞計算，根據(jù)所得到的疲勞驗算正應(yīng)力包絡(luò)圖及剪應(yīng)力包絡(luò)圖，疲勞模型下最大正應(yīng)力幅值取88.7 MPa，最不利疲勞正應(yīng)力幅值為11.78 MPa;疲勞模型下最大剪應(yīng)力幅值為34.8 MPa，最不利疲勞剪應(yīng)力幅值為4.989 MPa。疲勞模型下最大正應(yīng)力幅值和最大剪應(yīng)力幅值均比正應(yīng)力疲勞極限值和剪應(yīng)力疲勞極限值小[4]。以上結(jié)果充分說明，鋼蓋梁結(jié)構(gòu)疲勞正應(yīng)力和剪應(yīng)力可靠性均符合規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過增設(shè)鋼蓋梁法進(jìn)行獨柱墩橋梁加固處理后橋梁支座抗傾覆穩(wěn)定性極大提升，橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性明顯改善。在獨柱墩橋梁上增加鋼蓋梁后，鋼蓋梁結(jié)構(gòu)將承受主梁自重及結(jié)構(gòu)活載，故鋼蓋梁各項指標(biāo)必須滿足相關(guān)規(guī)范，才能保證加固措施的安全可靠。該文對鋼蓋梁實施加固后能有效消除橋梁因長期承受重載車輛作用后的抗傾覆安全隱患，確保獨柱墩橋梁運行安全。除采取增設(shè)鋼蓋梁加固技術(shù)外，加強(qiáng)對超載超限車輛管理、限制車速等對于確保獨柱墩橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運行也很重要。

參考文獻(xiàn)

[1]劉驍. 獨柱墩橋梁增設(shè)鋼蓋梁設(shè)計與驗算分析[J]. 低溫建筑技術(shù)， 2021（11）： 115-119.

[2]王文彪， 韓鵬， 李攀. 獨柱墩曲線橋鋼蓋梁加固方案設(shè)計[J]. 城市道橋與防洪， 2021（3）： 68-71+13-14.

[3]李王輝， 賈磊， 張小剛. 獨柱墩連續(xù)箱梁增設(shè)鋼蓋梁加固設(shè)計[J]. 公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）， 2019（1）： 232-234.

[4]翟銳. 獨柱墩匝道橋抗傾覆驗算與安全提升改造研究[J]. 工程技術(shù)研究， 2021（7）： 41-43.

收稿日期：2022-03-09

作者簡介：于幸平（1970—），男，大專，助理工程師，從事路政工作。55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7