獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算及改造設(shè)計(jì)研究

武建軍

（山西交控集團(tuán)太舊高速公路分公司，山西 陽泉 030006）

0 引言

作為我國立交、匝道橋梁工程常見的一類橋梁形式，獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋具備造型美觀、空間需求小等優(yōu)點(diǎn)，但其橫向抗傾覆問題比較突出。我國連續(xù)箱梁橋普遍采取單柱支承的設(shè)計(jì)，因此在上部偏心荷載作用下容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)與側(cè)移，由此產(chǎn)生的變形是一類彈性體變形，在分析時(shí)不能簡單地將其劃歸為剛體轉(zhuǎn)動(dòng)問題。

研究表明[1]，主梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的提升將導(dǎo)致主梁、支座間的支承關(guān)系產(chǎn)生變化，支反力也將隨之改變，導(dǎo)致橋梁一側(cè)的支座處于脫空狀態(tài)，在這種情況下荷載偏心另一側(cè)兩個(gè)支座的反力為零，甚至可能為負(fù)值，這一狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的荷載水平就是梁的轉(zhuǎn)動(dòng)極限荷載。若后續(xù)荷載持續(xù)增長，主梁會(huì)不斷向著偏心一側(cè)支座偏移，導(dǎo)致主梁支承缺失，因此梁轉(zhuǎn)動(dòng)的軸線也將不再變化，此時(shí)即為結(jié)構(gòu)的傾覆穩(wěn)定極限狀態(tài)，這一狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的上部荷載水平就是梁傾覆的極限荷載。當(dāng)結(jié)構(gòu)變形不斷積累直至一定程度，將無法再保持原有的靜止平衡狀態(tài)，會(huì)進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并產(chǎn)生傾覆破壞。針對(duì)結(jié)構(gòu)體系變形、破壞的全過程，研究人員已經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)分析，并制定了與之相應(yīng)的防治方法[2]。

本文將結(jié)合太舊高速公路武宿樞紐立交橋Q 匝道2號(hào)橋改造工程，針對(duì)獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁抗傾覆穩(wěn)定性問題進(jìn)行具體分析，以期為獨(dú)柱墩的改造設(shè)計(jì)和橋梁工程安全性提升提供幫助。

1 工程概況

太舊高速公路武宿樞紐立交橋Q 匝道2 號(hào)橋?yàn)?×35m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱單室，橋?qū)?.5m。橋位平面位于R=168m 的圓曲線上，Q1, Q6為分聯(lián)端，一端設(shè)置兩個(gè)盆式支座，支座間距為3.2m；Q4,Q5號(hào)墩為獨(dú)柱墩，墩頂設(shè)置盆式橡膠支座。圖1所示為Q2匝道橋跨中橫斷面。

圖1 Q2匝道橋跨中橫斷面（單位：cm）

Q5號(hào)墩位于太榆路中央綠化帶，Q 匝道2 號(hào)橋與太榆路路線交角約為45°，Q5號(hào)墩設(shè)置鋼蓋梁會(huì)侵入太榆路建筑限界，影響太榆路過往車輛，存在較大安全隱患。

2 抗傾覆驗(yàn)算步驟及原則

按照《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》（JTG 3362—2018）[3]（以下簡稱“橋混規(guī)”），橋梁橫橋向傾覆失穩(wěn)（見圖2）的基本特征為：上部結(jié)構(gòu)采用整體式箱梁；結(jié)構(gòu)體系為連續(xù)梁，上部結(jié)構(gòu)由單向受壓支座支承；橋臺(tái)或過渡墩采用雙支座或三支座，跨中橋墩全部或部分采用單支座。

圖2 事故橋梁的典型形式

持久狀況下，梁橋不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變，并應(yīng)同時(shí)滿足下列規(guī)定：①在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)；②在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合下，整體式截面簡支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)符合下式要求：

式（1）中：kqf為橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取kqf=2.5；?Sbk,i為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；?Ssk,i為使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

事故橋梁的破壞過程表現(xiàn)為：單向受壓支座脫離正常受壓狀態(tài)，上部結(jié)構(gòu)的支承體系不再提供有效約束，上部結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形趨于發(fā)散、橫向失穩(wěn)垮塌，支座、下部結(jié)構(gòu)連帶損壞。橋梁橫向傾覆失穩(wěn)過程如圖3所示。按照《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》（JTG 3362—2018）要求對(duì)獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性（特征狀態(tài)1和特征狀態(tài)2）進(jìn)行驗(yàn)算。

圖3 事故橋梁典型破壞過程

驗(yàn)算原則：抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算的設(shè)計(jì)荷載取原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)。荷載組合類型、組合分項(xiàng)系數(shù)、抗傾覆限值系數(shù)均按照《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》（JTG 3362—2018）要求進(jìn)行設(shè)定。

3 抗傾覆改造設(shè)計(jì)方案

綜合考慮獨(dú)柱墩橋梁的理論計(jì)算數(shù)據(jù)以及項(xiàng)目運(yùn)營具體情況，設(shè)計(jì)工作應(yīng)當(dāng)在結(jié)構(gòu)抗傾覆能力得到保障的前提下，盡可能提升其技術(shù)的科學(xué)性與合理性，使得項(xiàng)目始終處于穩(wěn)定可靠的狀態(tài)下，并將加固作業(yè)對(duì)正常交通運(yùn)輸?shù)母蓴_限制在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)?；诒卷?xiàng)目具體情況展開分析，確定改造方法采用鋼蓋梁+抗拔銷方案。

在原有單支承的基礎(chǔ)上對(duì)橋墩進(jìn)行改造，增設(shè)鋼蓋梁，以此來達(dá)到將墩頂?shù)膯沃С凶優(yōu)殡p支承的目的，這也將改變原有主梁結(jié)構(gòu)的受力體系，提升其抗扭轉(zhuǎn)能力，有效降低橫向傾覆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，在原有主梁結(jié)構(gòu)之上設(shè)置抗拔銷裝置，并將其與橋墩或橋臺(tái)相連，以此來起到控制偏載對(duì)主梁扭轉(zhuǎn)影響的作用，規(guī)避在發(fā)生支座脫空后，主梁由于體系變化可能出現(xiàn)的傾覆現(xiàn)象。邊墩位置的梁端支撐采用雙支承設(shè)計(jì)，而較小的支座間距往往難以起到預(yù)期的約束作用，在外界作用下支座可能處于受拉狀態(tài)。適當(dāng)增大邊側(cè)墩柱的蓋梁，并在其兩側(cè)附加支座，可達(dá)到提升支座間距的效果，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)性能。Q 匝道2 號(hào)橋改造設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 方案設(shè)計(jì)示意圖

排查驗(yàn)算結(jié)果與改造后驗(yàn)算結(jié)果見表1。

表1 驗(yàn)算結(jié)果匯總表

在施工前應(yīng)對(duì)連系梁進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)算，并借助有限元分析來判斷結(jié)構(gòu)的安全性，因此其設(shè)計(jì)難度一般較大。為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，將變形控制在合理范圍內(nèi)，澆筑混凝土?xí)r應(yīng)額外附加支撐。

4 有限元分析

4.1 有限元建模

利用Midas Civil 建立有限元模型進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性分析，參數(shù)及有限元模型分別如表2和圖5所示。

圖5 Midas Civil有限元模型

表2 有限元建模參數(shù)

4.2 荷載組合

按照《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》（JTG 3362—2018），特征狀態(tài)1 驗(yàn)算時(shí)，荷載組合為：1.0×永久作用下支反力+1.4×失效支座對(duì)應(yīng)最不利汽車荷載的標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)（偏載）。特征狀態(tài)2驗(yàn)算時(shí)，RGki、RQki 按標(biāo)準(zhǔn)值組合取值，汽車荷載效應(yīng)按各失效支座對(duì)應(yīng)的最不利布置形式取值。

4.3 驗(yàn)算結(jié)果

Q2號(hào)匝道橋橋長105m，圓曲線半徑為168m，可近似按直梁橋考慮，永久作用下產(chǎn)生的效應(yīng)為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)，可變荷載作用下產(chǎn)生的效應(yīng)為使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)，依據(jù)式（1）提取永久及可變荷載作用下的支座反力及支座中心矩，可得到抗傾覆力矩和傾覆力矩，進(jìn)而求得整體箱梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)《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》（JTG 3362—2018）規(guī)定，求得Q 匝道2 號(hào)橋在僅Q4號(hào)墩設(shè)置鋼蓋梁的情況下，支座均不出現(xiàn)負(fù)反力，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為3.44，大于2.5，滿足規(guī)范要求。

4.4 結(jié)果分析

通過對(duì)Q 匝道2號(hào)橋Q4號(hào)墩設(shè)置鋼蓋梁后，橋梁的抗傾覆性能進(jìn)行驗(yàn)算，得出以下結(jié)論：

（1）依據(jù)《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》（JTG 3362—2018）關(guān)于抗傾覆性能的計(jì)算要求，在本報(bào)告的荷載和荷載組合下，橋梁整體式箱梁支座均不出現(xiàn)負(fù)反力；

（2）整體式箱梁抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)大于2.5，滿足規(guī)范要求。

5 改造效果分析

根據(jù)上文對(duì)各方案的分析可發(fā)現(xiàn)，獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁在進(jìn)行加固時(shí)需結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，預(yù)先進(jìn)行全面的地質(zhì)勘測、資料收集等，以此來評(píng)價(jià)原有橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)。此外，還需明確凈高、凈寬等工程基本參數(shù)，以此來選擇最佳的技術(shù)方案與施工計(jì)劃，淘汰其中適用性較低的方案。對(duì)于初步選定的加固方案還應(yīng)借助有限元軟件完成模擬，研判其可行性。曲線橋梁還應(yīng)特別注意內(nèi)外側(cè)腹板長度的差異[4]。

靈活應(yīng)用和組合上述幾種構(gòu)造形式，結(jié)合原橋技術(shù)指標(biāo)、運(yùn)營現(xiàn)狀、施工條件、場地條件、工程造價(jià)和方案整體協(xié)調(diào)性等綜合考慮獨(dú)柱墩抗傾覆穩(wěn)定性改造，得出本次獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁抗傾覆穩(wěn)定改造設(shè)計(jì)方案為：采用鋼蓋梁+抗拔銷方案。排查驗(yàn)算結(jié)果與改造后驗(yàn)算結(jié)果如表3所示。

表3 排查驗(yàn)算結(jié)果與改造后驗(yàn)算結(jié)果

6 結(jié)語

本文基于太舊高速公路武宿樞紐立交橋Q 匝道2 號(hào)橋改造工程，針對(duì)獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋完成了力學(xué)驗(yàn)算，判斷結(jié)構(gòu)抗傾覆能力是否滿足要求。計(jì)算結(jié)果顯示，其各項(xiàng)參數(shù)均符合現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。在開展加固改造工作時(shí)，首先分析了導(dǎo)致傾覆的主要因素，并提出了增設(shè)蓋梁、抗扭拉裝置等方法來提升橫向約束作用效果和橋梁的抗傾覆能力，使得結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性得到保障。