連續箱梁橋抗傾覆的分析方法綜述及加固方法的探討

蔣 波

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

由于空間或美學要求的限制，獨柱墩目前廣泛用于具有連續箱梁橋的構造中。由于缺乏規格或技術限制，當前的支座設計和布置不是很合乎結構的抗傾覆要求，因此，連續箱梁橋發生了過多的傾覆事故，尤其是具有獨柱墩的連續橋梁。

分析橋梁的傾覆過程大致如下[1]：(1)連續梁橋在偏載作用下，支座反力逐步減小，導致發生支座脫空。(2)連續梁橋梁體支座脫空后，主梁底面與支座發生脫離，并橫向轉角增大，端部支座的豎向力發生了重分布。(3)連續箱梁橋的梁體轉角超過了一定的限度，端部支座的豎向力發生的重分布引起橋墩和蓋梁產生一定的變形，加速箱梁轉動。(4)梁體整體傾覆，其間可能發生不同傾覆破壞模式，如支座被擠出，或者中間橋墩在水平力下發生傾倒。

一、抗傾覆驗算方法

(一)基于支座反力的抗傾覆驗算

(1)

γ為支座的壓力比系數；Rb為成橋狀態下的支座反力；Rs為偏載作用下，支座的拉力；k-支座的壓力比系數(安全值建議用1.5)。

計算時，基于規范的公路荷載或者實際的荷載值，支座反力是使用梁格法或者實體模型等空間有限元計算的方法計算的結果。

(二)抗傾覆穩定性系數驗算

規范[2]中第4.1.10條規定了直彎箱形梁橫向抗傾覆穩定性的計算方法和安全儲備，應檢查箱形截面的中小跨徑梁的抗傾覆穩定性。抗傾覆穩定性系數應該合乎公式(2)的要求:

(2)

公式中，kqf-箱梁的抗傾覆穩定性系數;

Sbk-促使主梁發生傾覆的汽車荷載(含車輛的沖擊效應)效應;

Ssk-促使主梁穩定的作用組合。

針對正交橋梁和斜交橋梁(斜角30°以內),計算它們的抗傾覆穩定性系數的方法見(式3)

(3)

3式中，qk-車道荷載中的均布荷載;

Pk-車道荷載中的集中荷載;

l-主梁的全長;

e-車道的最不利位置至傾覆軸線的最短距離;

μ-車輛荷載沖擊系數;

RGi-每個支座的反力(成橋狀態);

xi-每個支座至傾覆軸線的距離。

(三)扭轉角驗算[2]

在傾覆荷載的作用下，一旦支座出現脫空的情況，箱梁就會很容易發生轉動，箱梁的整體扭轉角應滿足下式：

θ≤θu

(4)

公式中：θ是通過實測或者實體模型計算得到的，在偏載作用下，主梁中部截面的扭轉角作為箱梁的整體扭轉角；θu為允許的箱梁最大扭轉角，建議極限傾覆狀態取0.045rad或者傾覆驗算取0.02rad。

對于連續箱梁橋的抗傾覆計算不能只停駐在線性的理論分析(小位移理論)，抗傾覆的問題分析還需要引進非線性的理論分析(大位移理論)，通過有限元模型進行分析，來模擬求解主梁的支座反力及結構的整體轉角。

二、橋梁存在的傾覆問題及加固方法

(一)存在的傾覆問題

(1)多跨度的獨柱橋梁大多數是連續箱梁橋，然而箱梁的中心點與當中的很多獨柱墩上的單支座重合，車輛超載一旦出現，支點然后就變成了轉動軸線，這時箱梁會產生較大的橫向彎矩；然而獨柱墩在抗扭的性能上不是很強大，就會導致其所受到的橫向扭矩越來越強，一旦大于獨柱墩的墩柱本身的承載力的狀態下，主梁的翻轉傾覆就發生了。

(2)立交匝道的獨柱墩橋大多用的是彎橋梁，由于其特殊的內部和外部力學特性，以及由于預應力和溫度之間的關系，梁箱中的扭矩分配不均勻。另外，由于支座的內外兩側都沒有受到均勻的力，在靜載荷的影響下，可能會產生負作用，然后會產生偏心載荷，從而導致支座脫空的情況;

(二)抗傾覆措施[3][4]

通常，根據橋梁結構橋、支座和蓋梁等來進行加固和改進獨柱橋墩的性能。同時，根據橋架的地形和地形的實際情況確定加固方法；目前，主要方法是在獨柱墩的頂部增加附加的保護梁，以便將橫梁的端部添加到獨柱支撐上以增加抗拔的設施：1.獨柱墩的墩頂部加設蓋梁。作用是：箱梁橋的獨柱墩大多是樁柱式的橋墩，墩的剛度比較大，按照墩本身的剛度大多都可以滿足了承載力的需求，用在獨柱墩的頂面安設蓋梁的方法，使獨柱墩與蓋梁發生結合，讓它們形成一個整體，加強了箱梁的抗傾覆性能。不足是：在施工的過程中，一定要控制好實際預應力與施工的預應力兩者擁有的疏異性，來保證原來的結構鋼筋不會受到損壞；并且對鋼筋的施工要求比較嚴格，前后的支座受力需要具有相同的特性，來保證新舊的蓋梁實現完美的融合。2.在獨柱墩的單柱處增加樁柱。作用是：通過減小舊橋墩的墩柱受的偏心壓力作用，大多靠的是加多橋墩的數量，將獨樁墩整改成為雙柱墩，就可以加強了箱梁橫向抗傾覆的能力。不足是：施工的場地條件要求比較高，需要確保樁基的間距滿足要求的狀態下，在橫向的內外側加設墩柱，而且確保施工的質量的需求下，要封閉施工的范圍。3.端部的橫梁加設抗拔類型的構造。作用是：以對獨柱墩的兩側加設雙支座端橫梁的方式，同時往往還在傾覆的外側加設了一種連接的構件，將端部的橫梁與橋臺的臺帽施加抗拉拔的效應，而且靠梁箱自身的剛度，來增強梁端的梁體抗扭轉性能，確保主梁有更強大的安全性能。不足是：抗拔構造的施工要求比較高，需要繞過原橋的結構鋼筋，并且合理地處理好布設的孔位，來減小對原本橋的受力鋼筋的損壞。

結論

(1)結構的傾覆破壞是在極端的荷載偏移作用下的梁體扭轉，會導致支承體系的改變甚至強度破壞進而加速結構的失效；(2)在傾覆的全過程中，非線性的效應顯著不可忽視；(3)支座的脫空導致結構的傾覆開始，但是在發生支座的脫空情況下，不一定會發生梁體的傾覆破壞；(4)對獨柱墩的橋梁抗傾覆措施方法的研究需要進一步深入，實施更好的加固方案，進而使獨柱墩橋梁的抗傾覆穩定性能夠更強大；以造成免獨柱墩橋的梁失穩并導致傾覆破壞的事故再次發生，更好地讓國家和人民的生命安全得到保證。