橋梁抗傾覆驗算及加固設計

蔣凌杰，王 正，潘 棟

(廣西交通工程檢測有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

隨著《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)[1]的發布，橋梁抗傾覆驗算熱度一直不減，2019年某高架橋的傾覆事故更是將抗傾覆驗算的必要性推到了高點。本文通過工程實例，介紹橋梁的抗傾覆驗算以及加固設計方法。

1 抗傾覆驗算橋梁

通常上部結構采用整體式斷面的中小跨徑簡支梁橋或連續梁橋由于存在一定的傾覆風險而成為抗傾覆計算和加固的重點對象。存在傾覆風險的橋梁特點一般包括：(1)下部結構部分采用單支座的獨柱墩橋梁；(2)下部結構采用雙支座支承且支座中心間距較小，具有一定的橫橋向傾覆安全風險的橋梁，如橋面全寬與支座中心間距的比值>4或支座中心間距<2.5 m的橋梁[2-3]。

2 抗傾覆驗算荷載及荷載組合

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)，設計荷載及組合按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)[4]取值。根據規范規定，持久狀況下，梁橋不應發生結構體系改變，并應同時滿足下列規定：(1)基本組合下單向受壓支座始終保持受壓狀態；(2)標準值組合下橫橋向抗傾覆穩定性系數>2.5的要求。

規范條文中所提到的組合包含基本組合和標準組合，但并未對該組合做特殊說明，這意味著該組合應該包含常規驗算組合的所有作用，除恒載和移動荷載外，還包含溫度作用、支座沉降、收縮徐變等荷載作用，同時還要考慮支座沉降與移動荷載對應的支座反力并發關系。因此穩定作用包括恒載、鋼束二次、收縮徐變、支座沉降等；失穩作用包括移動荷載、整體溫度、溫度梯度等。

3 邊界條件

結構驗算應采用空間有限元模型，結構模型和邊界條件宜合理簡化，并根據現場核查的實際情況進行修正。如采用Midas Civil軟件進行建模計算時，盆式橡膠支座以及板式橡膠支座宜只考慮平動約束，不考慮轉動約束，簡化計算可不計支座剛度。

4 建模計算的注意事項

由于考慮的荷載較多，一般采用大型有限元分析軟件，在進行建模抗傾覆驗算時需注意以下事項：

(1)應對獨柱墩聯全部支座進行脫壓驗算；(2)汽車荷載作用按規范最不利橫向布載布置計算；(3)按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)布置單列車時，橫向車道布載系數取1.2；(4)橫橋向抗傾覆穩定性系數計算用的各支座反力值，應考慮混凝土收縮徐變的影響，取最不利值；(5)應考慮結構恒載變化情況(橋面鋪裝變化、新增過橋管線等)。

5 抗傾覆加固設計方法

5.1 基本要求

(1)提升方案應根據提升后獨柱墩橋梁的結構體系和支承邊界條件進行結構驗算并滿足相關標準規范的要求；(2)新舊結構的約束及變形應協調，新增結構和連接部位的構造要求和耐久性應滿足相關標準規范要求，并考慮沉降、溫度、收縮等對原結構的影響；(3)新增結構不得侵占被交道路與橋梁建筑限界；(4)獨柱墩橋梁提升處治方案可采用增設支座支承、改支座支承為墩梁固結及增設抗拉拔裝置等措施。

5.2 常用加固措施

(1)增設支座：利用原結構增設支座、增設蓋梁與支座、加寬墩柱與增設支座、增設墩柱與支座、加長主梁橫隔梁與增設支座等。新增支座僅承擔活載時，可采用墊塞等施工方案，應采取措施保證新增支座與梁體密貼。

(2)支座支承改為墩梁固結：橋下凈空受限時，可將支座支承獨柱墩改為墩梁固結。墩梁固結可采用鋼結構套箍等方法。

(3)增設抗拉拔裝置：增設抗拉拔裝置可作為預防措施，不得單獨作為橫橋向傾覆安全風險程度為一般安全風險及較大安全風險獨柱墩橋梁的提升措施。抗拉拔裝置可用植筋或植埋螺栓錨固的方式將上部結構和下部結構進行連接。

6 工程實例

6.1 項目概況

沙河立交橋全長514.392 m，共22跨。上部結構為普通鋼筋混凝土連續箱梁，分為5聯，跨徑組合自北向南依次為(4×20)m+(23.156+24.968)m+(2×25+28.544+2×25)m+(20+4×25+20)m+(20+25+27.638+25+20)m，其中第一、二聯上部結構為單箱多室平面異形箱梁，第三至五聯上部結構為單箱四室箱梁。箱梁于橋墩蓋梁上方設板式橡膠支座，于橋墩立柱上方設盆式橡膠支座。

6.2 結構抗傾覆驗算

沙河立交第三、四、五聯的整體結構滿足有傾覆風險橋梁的特點，應對其進行抗傾覆驗算。按竣工圖紙建立沙河立交第三、四、五聯的整體結構模型，進行整體結構驗算，計算中考慮了結構自重、二期鋪裝及附屬結構重量、汽車荷載、溫度等作用。支座布置、計算模型及驗算結果如圖1～6和表1所示。

圖1 第三聯支座布置圖(mm)

圖2 第三聯計算模型圖

圖3 第四聯支座布置圖(mm)

圖4 第四聯計算模型圖

圖5 第五聯支座布置圖(mm)

圖6 第五聯計算模型圖

表1 加固前抗傾覆驗算結果表

6.3 結構加固方案

根據驗算結果以及抗傾覆加固設計方法，本設計抗傾覆加固擬采用在單柱墩墩頂與橋軸線垂直的方向增設輔助支撐支座，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，原單柱墩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，由新增兩側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安全性，同時可以減少每聯伸縮縫處支座受力和箱梁所受扭力的情況。同時因增設蓋梁改變了原墩柱受力，對增設蓋梁的墩柱采取外包鋼套筒灌注混凝土加固的措施，提高其承載能力。本次設計采用增設輔助支撐支座，可采用三個方案，見表2。

表2 加固比選方案表

結合沙河立交橋下道路交通及地質條件實際情況，初步比選時，沙河立交橋抗傾覆推薦采用方案一及方案三結合：對第三聯8#、9#墩增設薄壁墩，第五聯19#、20#墩增設薄壁墩；第四聯12#、13#、15#、16#墩增設鋼蓋梁，蓋梁采用工廠定制，并采用熱鍍鋅處理，現場焊接件需進行防腐涂裝。后經過現場詳細調研后發現，由于鋼結構工程量小，鋼結構預制廠家制造成本過高，因此綜合下來，采用了方案二及方案三結合的方式，對第三聯8#、9#墩增設薄壁墩，第五聯19#、20#墩增設薄壁墩；第四聯12#、13#、15#、16#墩改為增設鋼筋混凝土蓋梁，見圖7、圖8。

圖7 增設薄壁墩、增加支座示意圖(mm)

圖8 增設鋼筋混凝土蓋梁、增加支座示意圖(mm)

6.4 加固結構抗傾覆驗算結果

按照以上加固方案對橋梁進行抗傾覆驗算，由驗算結果可知，橋梁采取本方案加固后，結構抗傾覆穩定系數得到明顯提高，抗傾覆驗算結果滿足規范要求。支座布置、計算模型及驗算結果如表3和圖9～14所示。

表3 加固前后結構抗傾覆驗算結果對比表

圖9 第三聯支座布置圖(mm)

圖10 第三聯計算模型圖

圖11 第四聯支座布置圖(mm)

圖12 第四聯計算模型圖

圖13 第五聯支座布置圖(mm)

圖14 第五聯計算模型圖

7 結語

本文結合工程實例，對橋梁抗傾覆驗算和加固設計方法進行介紹，為橋梁抗傾覆驗算和加固設計工程提供參考。類似本文實例的橋梁還有很多，橋梁抗傾覆能力不能滿足規范要求，亟須開展橋梁抗傾覆驗算和加固設計工作。