某城市橋梁抗傾覆驗算與加固設計方案

劉龍源

（無錫市政設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214072）

1 概 述

隨著近年交通運輸行業(yè)的蓬勃發(fā)展，超載甚至嚴重超載情況時有發(fā)展。由于對獨柱墩橋梁的受力性能缺乏足夠的認識，全國各地相繼出現(xiàn)了多起獨柱墩橋整體的側(cè)翻傾覆事故。比如2009 年津晉高速連續(xù)獨柱墩匝道橋傾覆事故、2011 年浙江上虞立交橋傾覆坍塌、2012 年哈爾濱群力路高架橋整體側(cè)翻坍塌等。在2019 年無錫312 國道錫港路上跨橋橋面?zhèn)确鹿拾l(fā)生后，江蘇省交通運輸廳要求：“組織加強橋梁、隧道安全性設計和驗算，尤其是重載交通量較大路段的橋梁橫向穩(wěn)定性驗算和抗傾覆設計，嚴格限制圓形斷面獨柱墩單支承設計方案。”

綜合上述事故可見，發(fā)生上部結(jié)構(gòu)整體傾覆的橋梁具有以下共同特征：（1）上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)箱梁，中間墩位獨柱墩單支座；（2）過渡段或者橋臺位置為雙支座，但支座間距較小；（3）超過設計荷載的車輛偏載行駛；（4）事故發(fā)生前無明顯預兆、猝然發(fā)生；（5）落梁伴隨二次事故，經(jīng)濟損失較大，社會影響惡劣。

在此背景下，《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）[1]對橋梁抗傾覆驗算提出了明確的設計方案和具體要求。對已建成的城市橋梁，應按規(guī)范進行復核驗算，對不滿足要求的獨柱墩進行加固設計，以提升城市橋梁抗傾覆能力。

2 抗傾覆驗算

2.1 設計原則

抗傾覆計算根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）[1]和《城市橋梁設計規(guī)范》（CJJ 11—2011）（2019 年版）[2]進行。按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）第 4.1.8 條規(guī)定，持久狀況下，梁橋不應發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變，并應同時滿足下列規(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）按作用標準值進行組合時（按本規(guī)范第7.1.1條取用），整體式截面簡支梁和連續(xù)梁的作用效應應符合下式要求：

式中：kqf為橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取kqf=2.5；ΣSbk，i為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應設計值；ΣSsk，i為使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應設計值。

車道荷載按《城市橋梁設計規(guī)范》（CJJ 11—2011）（2019 年版）取值，車道布置在橋梁結(jié)構(gòu)中心線一側(cè)，分為左傾驗算和右傾驗算。同時考慮基礎變位作用和溫度（均勻溫度和梯度溫度）作用。

2.2 設計流程

設計流程，見圖1。

圖1 設計流程圖

2.3 工程背景

空港立交位于無錫錫興路鄰近碩放國際機場處，P 線橋和 Q 線橋在跨越 G312 處為 4 跨預應力混凝土連續(xù)梁，跨徑為20+2×30+20 m，交接墩為花瓶墩、雙支座，支座間距1.6 m，中間墩位獨柱墩、單支座（見圖2）。

圖2 中間墩現(xiàn)場照片和斷面圖

2.4 抗傾覆驗算結(jié)果

從表1 可見，部分支座脫空驗算和抗傾覆穩(wěn)定性驗算不滿足規(guī)范要求。出現(xiàn)這種計算結(jié)果的原因主要為以下3 點：

表1 空港立交P 線橋第2 聯(lián)抗傾覆性計算分析結(jié)果匯總表

（1）本次橋梁抗傾覆驗算所采用的荷載為現(xiàn)行《城市橋梁設計規(guī)范》（CJJ 11—2011）（2019 年版）城—A 級車道荷載，而原設計荷載為《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2004）[3]公路—I 級車道荷載，新規(guī)范車道荷載增大。

（2）根據(jù)現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）4.1.8 條，本次采用作用基本組合對支座脫空進行驗算，汽車荷載和其他可變作用的分項系數(shù)為1.4。而原支座設計依據(jù)為《公路鋼筋砼及預應力砼橋涵設計規(guī)范》（JTG D62－2004）8.4 條，采用作用標準組合進行支座驗算，分項系數(shù)為1.0。因此效應組合設計值更大。

（3）原設計規(guī)范未要求進行抗傾覆穩(wěn)定性驗算，而現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）4.1.8 條，要求橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)不低于2.5。

因此，這兩幅橋均存在支座脫空和抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)不滿足要求的情況。為提升城市橋梁抗傾覆能力，需對橋梁進行改造加固，使其滿足規(guī)范要求。

3 加固設計

3.1 設計原則

對于獨柱墩單支座橋梁的加固，通常采用的方案是在獨柱墩單支座兩側(cè)新設支座，這樣既可以滿足抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)要求，也可解決支座脫空的問題。由于獨柱墩頂面空間有限，基本沒有新設支座的空間，因此可采用新設鋼牛腿、鋼立柱和混凝土立柱等支承方式布置新設支座。

對于新設支承加固的設計原則有：（1）應提升獨柱墩橋梁抗傾覆能力，使其滿足規(guī)范要求；（2）應考慮對原橋梁結(jié)構(gòu)受力影響分析，確保橋梁安全運行；（3）應避免對城市交通、通行凈空等產(chǎn)生不利影響；（4）滿足城市景觀設計要求，新建結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)；（5）充分考慮后期養(yǎng)護和支座更換的必要條件。

3.2 加固計算

空港立交鄰近碩放國際機場，本次加固設計對橋梁景觀要求較高。經(jīng)過綜合比選，確定本次設計采用增加墩身截面尺寸，同時在現(xiàn)狀支座橫向兩側(cè)各增加1 個支座的改造方案。具體內(nèi)容為：把現(xiàn)狀墩身橫橋向進行兩側(cè)加寬，每側(cè)加寬100 cm，厚度100 cm。然后在兩側(cè)加寬部分墩身上個設置1 個支座。加固完成后，墩身頂面共有3 個支座。根據(jù)計算，當新設支座距離獨柱墩支座110cm 時，空港立交P 線橋第2 聯(lián)抗傾覆計算可滿足規(guī)范要求。加固前后抗傾覆性穩(wěn)定性系數(shù)見表2。

表2 空港立交P 線橋第2 聯(lián)增加支座加固前后抗傾覆性穩(wěn)定性系數(shù)匯總表

3.3 設計方案

空港立交P 線橋第2 聯(lián)加固方案，見圖3。

圖3 空港立交P 線橋改造后橫斷面圖

加固完成后，見圖4。

4 結(jié) 語

圖4 空港立交P 線橋改造后實景圖

獨柱墩單支座橋梁具有占地少、空間大、視野開闊和外形優(yōu)美等優(yōu)點，在我國城市應用較為廣泛。然而，在實際運行階段，獨柱墩單支座橋梁卻出現(xiàn)了多起傾覆事故，原因是超載導致橋梁超負荷的使用。為此，現(xiàn)行規(guī)范對橋梁抗傾覆計算提出了更嚴格的要求，對于已建成的橋梁，應盡快開展抗傾覆驗算與加固設計，提升橋梁的穩(wěn)定性。本文給出了已建成城市橋梁的傾覆驗算與加固設計方案，對后期橋梁抗傾覆安全性驗算和加固存在一定的借鑒意義。