基于新規范的獨柱墩曲線連續梁橋抗傾覆驗算和加固設計

鄭亮亮 吳志隆

作者簡介：

鄭亮亮（1989—），工程師，碩士，主要從事橋梁檢測及加固設計工作;

吳志隆（1988—），工程師，碩士，主要從事橋梁檢測及加固設計工作。

文章以廣西某高速公路互通立交匝道橋梁抗傾覆加固設計項目為依托，按照新規范對該橋加固前后的抗傾覆穩定性系數進行驗算。計算結果表明，在該橋獨柱墩上增設輔助支座的加固措施對于提升橋梁整體抗傾覆能力的效果較為明顯。通過從安全、經濟、美觀等方面比選抗傾覆加固設計方案，最終確定薄壁花瓶墩支撐法作為實施方案，可為類似在役獨柱墩曲線連續梁橋的抗傾覆驗算和加固設計提供借鑒和參考。

橋梁;獨柱墩;抗傾覆驗算;加固設計

U442.5A421474

0 引言

獨柱墩曲線連續梁橋具有結構簡單、造價經濟、對橋下空間要求低等特點，一直以來在高速公路匝道橋中得到廣泛應用[1]。但近年由于運輸車輛超載嚴重引起獨柱墩橋梁整體性側翻傾覆的重大交通安全事故屢見不鮮，不僅造成了人員生命安全和財產的重大損失，還帶來了負面的社會影響，一時間獨柱墩橋梁安全問題成為討論的焦點。

本文依托廣西區內某高速公路互通立交匝道橋梁抗傾覆加固設計項目，根據交通部頒布實施的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）[2]（以下簡稱《新規范》），采用結構整體靜力有限元分析的方法，通過模擬在該橋獨柱墩上增設輔助支座，對其加固前后的抗傾覆穩定性系數進行計算比較，驗證加固措施對橋梁整體抗傾覆能力的改善情況，并從安全、經濟、美觀等方面對抗傾覆加固設計方案進行比選確定，可為類似橋梁的抗傾覆驗算和加固設計提供借鑒和參考。

1 工程簡介

該橋為廣西某高速公路樞紐互通內C匝道跨越另一條高速公路及B匝道而設的跨線橋，跨徑組合為（27+35+27） m，橋梁全長75.5 m。上部結構采用預應力混凝土連續箱梁，1#、2#橋墩采用柱式墩臺，樁基礎。橋臺、橋墩采用GPZ（Ⅱ）型盆式橡膠支座。0#、3#橋臺采用GQF-E60伸縮縫。該橋平面位于左偏緩和曲線上，縱斷面縱坡為-3.98%，墩臺等角度布置。荷載等級為公路-Ⅰ級，橋面凈寬為1×11 m。詳見下頁圖1～3。

2 抗傾覆驗算

2.1 抗傾覆驗算原則

在《新規范》第4.1.10條中對結構體系采用整體式箱形截面連續梁橋的傾覆破壞全過程明確了兩個逐漸遞進的特征狀態：橋梁的某一單向受壓支座開始脫空失效即為特征狀態1;橋梁失去所有抗扭變形約束并處于受力平衡極限狀態時即為特征狀態2。對于特征狀態2，采用與擋土墻、剛性基礎類似的橫向傾覆驗算模型，按照式（1）計算抗傾覆穩定性系數。

∑sbk，i∑ssk，i≥kqf（1）

式中：kqf ——橫向抗傾覆穩定性系數，取kqf=2.5;

∑Sbk，i——使上部結構穩定的效應設計值;

∑Ssk，i——使上部結構失穩的效應設計值。

2.2 結構分析計算及參數的選取

該橋按照式（1）計算抗傾覆穩定性系數為1.51，小于規定的2.5，不滿足《新規范》要求。為此考慮在1#、2#橋墩處增設內外支座以提高該橋抗傾覆能力。為了解增設支座后箱體的抗傾覆穩定性系數，采用Midas Civil軟件建立該橋上部結構有限元模型，進行結構整體靜力計算分析。各結構桿件采用梁單元模擬，邊界條件按實際情況采用彈性連接模擬，共建立118個節點、97個梁單元（見圖4）。根據橋梁施工流程劃分結構計算階段，驗算結構在車道荷載內偏、車道荷載外偏作用下抗傾覆穩定性系數是否符合規范要求。

計算參數：混凝土容重為26 kN/m3，二期恒載包括橋面鋪裝（42.9 kN/m）和防撞護欄（單邊為9.1 kN/m），汽車荷載采用公路-Ⅰ級。

2.3 抗傾覆驗算結果

模擬該橋在1#、2#橋墩處增設內外支座后，橋梁結構分別在車道荷載內偏和車道荷載外偏作用下抗傾覆驗算結果如表1和表2所示。

3 抗傾覆加固設計方案

本著工程措施方案行之有效、工程造價經濟實用的原則，根據相應的技術標準，對該橋進行抗傾覆加固設計，設計方案如下。

3.1 方案一：三柱式支撐法

由圖5可知，在1#、2#獨柱墩與橋軸線垂直的方向左右側增設混凝土墩柱，在墩柱上增設輔助支座，箱梁在該處由原來的單支座變為三支座，增設的輔助支座在恒載作用下不受力，原墩頂支座為主要受力支座。當車輛在最不利位置導致箱梁發生扭轉變形時，由新增墩柱上的支座提供一定的反力，在保證橋墩安全的前提下提高箱梁抗傾覆能力。

3.2 方案二：薄壁花瓶墩支撐法

由圖6可知，在1#、2#獨柱墩周邊外包混凝土形成薄壁花瓶墩，在花瓶墩上增設輔助支座，箱梁在該處由原來的單支座變為三支座，增設的輔助支座在恒載作用下不受力，原墩頂支座為主要受力支座。當車輛在最不利位置導致箱梁發生扭轉變形時，由新增花瓶墩上的支座提供一定的反力，在保證橋墩安全的前提下提高箱梁抗傾覆能力。

3.3 設計方案比選

由表3可知，兩個抗傾覆加固設計方案均能滿足現行《新規范》抗傾覆要求。薄壁花瓶墩支撐法方案具有外形美觀、施工較便利、經濟性較好、無須后期維護，同時抗傾覆穩定性系數大等特點，故推薦為實施方案。

4 結語

通過對廣西某高速公路互通立交匝道橋梁進行抗傾覆驗算和加固設計，可以得出以下幾點結論：

（1）按照《新規范》對該橋進行抗傾覆驗算，發現其抗傾覆穩定性系數不滿足要求，需進行抗傾覆加固設計。

（2）通過模擬在該橋獨柱墩上增設輔助支座，并采用結構整體靜力有限元分析的方法確定加固后該橋的抗傾覆穩定性系數。計算結果表明，該加固措施對于提升橋梁整體抗傾覆能力的效果較為明顯。

（3）從安全、經濟、美觀等方面對抗傾覆加固設計方案進行比選，最終確定薄壁花瓶墩支撐法作為實施方案，可為類似在役獨柱墩曲線連續梁橋的抗傾覆驗算和加固設計提供借鑒和參考。

[1]梁 峰.三跨獨柱連續梁橋抗傾覆能力研究[J].公路，2009，10（10）：40-43.

[2]JTG 3362-2018 ，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].