獨柱墩橋梁抗傾覆分析及加固設計研究

柴加兵

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110116)

2018年，新的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)頒布，在新規范4.1.8條中，明確給出了橋梁抗傾覆[1]計算內容的規定以及計算方法。但是近幾十年來，我國修建了大量的獨柱墩[2]橋梁，特別是在互通區橋梁中，給交通行車帶來了極大的安全隱患。對獨柱墩[2]橋梁進行抗傾覆分析及加固處理是擺在我們交通人面前不可繞開的一個課題。結合工程實例，對橋梁抗傾覆分析與加固進行深入研究，希望能為以后獨柱墩處理提供借鑒。

1 工程概況

梅黃高速英達立交CK0+273.896匝道橋，橋梁全寬8.25m，橋梁總長77.50m。此橋位于半徑230m、左偏圓曲線上，橋梁分跨線均為徑向線。橋梁孔徑布置為(16+20+20+16)m，上部結構采用預應力混凝土連續π型梁，梁高(梁高均指箱梁外側腹板外緣處梁高)1.1m。下部結構均采用柱式橋墩(2#墩高為：9.468m)，鉆孔樁基礎；橋臺采用柱式橋臺。

近期橋梁檢查結論：橋梁長度、跨徑、橋面寬度、主要構件截面尺寸，測量結果與原設計基本一致。依據《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21-2011)，上行橋結構技術狀況評定等級為2類。

本匝道橋跨越高速，其中2號墩(獨柱墩、單支點)落于高速中間帶上，1、3號墩(薄壁墩、雙支點)落于高速土路肩兩側。采用現行公路-Ⅰ荷載對本橋進行加載驗算，抗傾覆系數為2.20，小于規范規定值2.50，且1、3號橋墩內側支座脫空，需要加固處理。橋梁斷面布置圖見圖1。

圖1 橋梁斷面布置圖

2 加固方案設計

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》應用指南(JTG 3362-2018)規定，解決橋梁抗傾覆一般有三種方式。

(1)將單支點改為墩梁固接，此方法的特點是改變結構受力體系，改變結構破壞模式，僅適用于高墩。

(2)將獨柱墩單支點受力轉換為雙支點或者三支點受力，此方法的特點是不顯著改變橋梁結構受力體系，提高抗傾覆性能，但是壓縮了橋下空間。

(3)設置冗余約束，提供冗余約束，但是不提高抗傾覆性能。

在《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》應用指南(JTG 3362-2018)中明確指出：

(1)加固改造方案應以“安全、經濟、美觀”為原則，考慮橋梁的功能性要求、施工可實施性、檢測養護要求和景觀要求，進行多方案經濟技術比較后確定。

(2)加固改造方案應盡量保證原結構支撐體系不變：采用原有獨柱單支座橋墩改造，如獨柱單支座體系改為橫向多支座體系(多柱式或獨柱多支座結構)，或采用原有過渡墩或橋臺及相應構造改造等措施。

(3)改造加固設計和施工，應避免由于結構改變造成新生問題，應制定專門的施工組織方案，加強橋梁施工質量安全管理。

根據設計指南指導思想及本橋所處位置空間情況，本橋提出如下改造措施：將2號墩(獨柱墩)墩頂增加鋼蓋梁，在原支座左右側新增支座，新增支座在活載情況下參與受力，原恒載作用下新增支座不參與受力，提高橋梁活載情況下抗傾覆系數；另在1、3號橋墩兩側與梁體之間增加抗傾覆拉桿(多于冗余約束)，以增加橋梁抗傾覆安全系數。

3 加固結構抗傾覆計算與結構設計

3.1 抗傾覆分析

加固方案確定后，應對新結構進行抗傾覆分析與結構計算。加固前0、1、3、4號支座為雙支座、2號為單支座。加固后0、1、2、3、4號支座均為雙支座受力體系。需要特別說明的是：2號支座橫向采用三個支座，當整體梁向左側傾覆時，右側支座脫空，不參與受力；當整體梁向右側傾覆時，左側支座脫空，不參與受力。故2號支座按照雙支座體系進行受力分析。

依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)第4.1.8條，持久狀況下，橋梁結構不應發生結構體系改變，并應同時滿足下列規定：

(1)在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態。

(2)按作用標準值進行組合時，整體式截面簡支梁和連續梁的作用效應應符合規范式(1)的要求：

(1)

抗傾覆計算荷載按照如下要求取值：

(1)永久作用：結構重力、預加力、混凝土收縮徐變作用，不考慮基礎變位作用。

(2)可變作用：僅考慮公路-I級的汽車荷載，不考慮非線性溫差等其他可變作用。

計算程序采用空間有限元分析程序橋博4.2程序計算。

箱梁自重采用程序自動計入，橋面鋪裝荷載及防撞墻荷載按照如下取值，二期恒載：橋面鋪裝27.0kN/m；護欄16.53kN/m(雙側)。

公路汽車荷載標準按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)取值，荷載等級為公路-I級，活載按單向2車道計算，活載各項系數見表1。

表1 公路活載系數表

計算結果整理如表2所示。

表2 抗傾覆性能評估(左傾覆)

由上述計算結果知道，2號墩增加支座后，左側抗傾覆系數調整為3.54,大于規范抗傾覆系數2.50,滿足規范要求。另右側抗傾覆系數為3.80，滿足規范要求。

3.2 2號橋墩強度驗算

在2號橋墩增設蓋梁之前，橋墩所受豎向荷載為：上部梁及二期恒載產生的豎向荷載、汽車荷載以及沖擊力、不均勻沉降荷載等；水平荷載為：汽車制動力、離心力、溫度力、風荷載等；在2號橋墩增設蓋梁之后，橋墩上述荷載變化不大，但是由于汽車活載在橫向支座上產生較大的偏心，橋墩產生了很大的橫向彎矩，橋墩整個受力體系發生了較大變化，導致橋墩橫向受力更加不利，對橋墩重新進行強度驗算是必要的。另由于本橋原設計荷載為與現行規范設計荷載之間也存在較大的差異，現行規范荷載遠大于原設計規范荷載。采用現行規范重新對結構進行強度驗算也是必要的。橋墩所受荷載如表3所示。

表3 橋墩荷載表

計算程序采用空間有限元分析程序橋博4.2程序計算。另橋墩在進行計算時，應按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土設計規范》(JTG 3362-2018)要求采用新的計算長度進行取值。計算結果如表4所示。

表4 橋墩計算結果

橋墩計算滿足規范要求。

3.3 1號、3號橋墩抗傾覆拉桿設計

1號、3號橋墩支座在恒載與活載組合作用下，不存在脫空狀況，但是在僅活載情況下內側支座存在脫空，根據計算知道，脫空反力為205.7kN。以此荷載對1號、3號橋墩進行抗傾覆拉桿設計，以增加橋梁抗傾覆安全系數。

抗傾覆拉桿設計時，應按照《混凝土加固設計規范》(GB 50367-2013)及《混凝土后錨固技術規程》(JTG 145-2013)中相關要求對植入錨栓進行抗剪計算、錨固有效長度、植入深度、錨栓間距、錨栓距離邊緣距離等進行計算，同時也應對錨栓混凝土楔形破壞情況進行計算，應保證混凝土不發生楔形破壞。同時也應對拉桿連接部件傳力銷進行抗剪抗彎計算，應滿足《鋼結構設計標準》(GB 50017-2017)規范要求。抗傾覆拉桿設計大樣圖如圖2所示。

圖2 抗傾覆拉桿設計圖

抗傾覆拉桿設計時應保證拉桿豎向有效傳力及縱向不影響橋梁自由變形。拉桿縱橋向孔隙應按照伸縮縫的計算方式進行考慮，并不小于伸縮縫設置值。

錨栓錨孔位置確定時，應確保錨孔位置距離原箱梁梁體預應力管道凈距不小于10cm，以免打傷或打斷原預應力鋼束，產生新的安全隱患。

3.4 2號橋墩新增蓋梁設計

2號橋墩新增蓋梁為普通鋼結構設計，按照《公路橋梁加固設計規范》(JTG/T-J22-2008)及《鋼結構設計標準》(GB 50017-2017)進行設計即可。但是應保證新增蓋梁尺寸的大小不侵入公路界限，以免影響行車安全。

4 結論

過去幾十年，由于獨柱墩梁橋所具有的優勢：經濟、造型獨特、美觀，占用空間較小等特點，在我國公路建設和市政道路建設中廣泛使用，特別是在互通區匝道橋中，使用更加常見。但隨著科技發展、軟件技術的進步、工程技術人員對橋梁結構體系的認識以及獨柱墩橋梁實際使用狀況，獨柱墩橋梁所包含的安全隱患，急需解決。上述分析與計算希望能為獨柱墩處理提供較好的參考。