曲線梁橋抗傾覆驗算與加固設計研究

崔鵬飛

（華北水利水電大學土木與交通學院，河南 鄭州 450045）

0 引言

在城市道路中，由于高樓密集并且環境復雜，為了方便出行，一些適應線形的曲線梁橋被越來越多的設計和使用。曲線梁橋不僅能滿足周圍地形的要求，而且其線條流暢，能夠給人們帶來美的感受。但是曲線梁橋在長期運營過程中承受車輛偏心荷載作用時，會產生很多病害，嚴重時還可能導致橋梁整體失穩。尤其是近十年來，在湖北、江蘇、浙江等地已發生多起曲線梁橋偏載超載作用下的整體失穩事故，造成了極大的經濟損失和人員傷亡。由上述案例可以發現，這些事故有以下3個特征。

①發生整體失穩事故的橋梁上部結構基本采用整體式箱梁，大多在橋臺處采用抗扭支座+聯中采用點鉸支座的支承體系；從上部結構的材質來看，上部結構均較輕，其抗傾覆力矩較小，也容易發生傾覆事故。

②設計時橋梁支承間距較小。如果橋梁結構支座間距過小，結構就顯得頭重腳輕，也類似于單支承的形式，容易在車輛偏載作用下發生整體失穩。

③橋梁整體失穩事故發生時，無明顯預兆，且橋梁在失穩前一般不會發生強度破壞。

目前設計人員在橋梁整體失穩方面的計算和加固還存在以下3個方面的不足。

①抗傾覆穩定系數的計算方法存在差異。不同地區按照規范進行抗傾覆穩定性的計算時，考慮的荷載工況不同。有些地區在進行抗傾覆計算時，失穩力矩僅僅考慮車輛荷載，這樣使得其計算結果偏大。

②對超載車輛沒有充分的預測。目前，車輛超載現象嚴重，在已發生的橋梁整體失穩事故中，實際車輛荷載值遠遠超過了規范要求的車輛標準值。以2019年無錫市上跨橋傾翻事故為例，其傾覆破壞的原因是兩輛重型平板車嚴重超載且間距較近（160 t/32 t、超載400%；160 t/29 t、超載455%）。

③加固方案精細不夠。設計人員對需要進行加固的橋梁不能做到因橋而異，提升效果如何也沒有分析計算。還有部分地區對所有獨柱墩都進行加固，加固的有效性也存在質疑。

雖然發生整體失穩事故的橋梁多為獨柱墩橋梁，但是如果將這些事故橋梁中的單支座換成小間距的雙支座時，同樣也不能避免失穩事故的發生。

因此，研究曲線梁橋的抗傾覆性能以及制定出合理有效的防止橋梁失穩的加固措施是非常有必要的。本研究以實際工程為例，驗算其加固前后的抗傾覆穩定性，旨在為今后曲線梁橋的設計施工等提供一定的參考依據。

彭衛兵等［1］介紹了橋梁整體失穩過程中的3個階段和失穩的類型，并基于實際工程提出抗傾覆的計算方法；白小東［2］運用MIDAS建立一匝道曲線梁橋模型，分析不同支承條件下對橋梁穩定性的影響；魏遠棟［3］分析了影響曲線梁橋抗傾覆性能的因素，還著重分析了典型車輛過橋時單車極限荷載，為橋梁設計提供了有意義的參考。

1 工程概況

1.1 結構參數

本研究選取三門峽境內某一四跨匝道橋，其跨徑組合為（19+2×21+19）m，上部結構為連續箱梁，下部結構1#、2#、3#采用柱式墩，橋墩高10 m，墩柱直徑1.6 m。該橋橫向寬9 m，高度1.4 m，曲率半徑為160 m，模擬邊界約束按圖1所示。

圖1 該匝道橋支座布置圖

利用橋梁結構分析專用程序MIDAS 2021對該橋進行抗傾覆計算分析，采用公路-Ⅰ級對橋梁進行計算，橫向雙車道，全橋共124個節點，112個單元，其橋梁模型圖如圖2所示。主梁混凝土采用C40，墩柱混凝土采用C30。

圖2 該匝道橋模型圖

1.2 荷載工況

1.2.1 永久作用。

①自重+二期恒載。二期恒載計算結果如下：瀝青現澆層為19.2 kN/m；護欄為10.7 kN/m，分別加載于橋梁兩側。

②支座沉降。橋臺處支座沉降5 mm，墩柱處支座沉降10 mm。

1.2.2 可變作用。

①車輛荷載。該橋橫向布置兩個車道，車道1距離橋梁中心線-2.6 m，車道2距離橋梁中心線0.5 m。

②溫度荷載。溫度荷載主要考慮梯度溫度（升溫、降溫）、整體溫度（升溫20℃、降溫20℃）。

③離心力和制動力。離心力在局部坐標軸y方向上布置單元荷載，制動力在橋墩支座處布置節點荷載。

2 原結構驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）［4］中的規定，為了保證橋梁在運營過程中不發生傾覆破壞，需同時滿足以下兩個狀態。特征狀態1：荷載基本組合時，支座不發生脫空；特征狀態2：荷載標準組合時，穩定力矩與失穩力矩計算出的抗傾覆系數大于2.5。

查閱大量資料發現，對于運營橋梁，尤其是曲線梁橋，溫度、離心力、動力等所產生的荷載也會引起橋梁整體失穩，為了使計算結果更加精確，本研究在設計時考慮這些因素進行抗傾覆計算。因此，對于特征狀態1（支反力驗算）的驗算，按照RGK+1.4RMV+0.5RSM+1.05RT+1.05RTPG+1.4RST+0.735RBRK來進行，最后計算出0-1#支座在荷載基本組合作用下的支反力最小值為-348 kN，4-1#支座在荷載基本組合作用下的支反力最小值為-363 kN，均不滿足規范要求，支座存在脫空的危險；對于抗傾覆系數的驗算，最后計算出0-1#支座、4-1#支座在最不利標準組合下的抗傾覆系數為0.97，均小于2.5，橋梁有整體失穩的風險。因此，該匝道橋不滿足規范要求，需要對其進行加固。

3 加固方案研究

對于不滿足抗傾覆要求的橋梁，在加固前應該首先調查其建設條件，確定其橋梁下部凈空、障礙物、水道等情況，判斷其是否滿足施工要求，要根據環境、結構等選擇最合適的加固方案。針對橋梁抗傾覆驗算的相關結論，橋梁加固措施主要是對橋梁下部結構進行加固改造，增加橫橋向支點的數量，以達到提高橋梁整體抗傾覆穩定性的目的。其主要措施可以從增設拉桿和增設支座支承兩個方面進行考慮，其中增設支座有很多具體表現形式，比如增設墩柱與支座，增設蓋梁與支座，增設墩柱與支座等，具體見表1［5］。

表1 加固方案對比

綜合這4種加固方案，受限于該匝道橋箱梁底面寬度跟橋墩高度的影響，推薦采用增設蓋梁與支座的方法進行加固。該方案施工簡單，可以最大限度地減少對原墩柱的損傷，加固后對橋下交通影響較少，能提高該匝道橋的穩定性，確保運營安全，其施工后的效果圖見圖3。

圖3 施工效果圖

增設蓋梁與支座后，由于車輛偏載超載作用引起的彎矩與扭矩作用較大，如果加固的蓋梁采用混凝土結構，為了滿足結構的承載力要求，就需要添加更多的鋼筋，這樣就會使墩柱承受更多的荷載。因此經過多方面的比較，在設計時選擇在1#墩、2#墩和3#墩增設鋼蓋梁的形式進行加固處理。其中鋼蓋梁與主柱的連接主要有兩種方式：一種是通過鋼套筒與混凝土間灌膠并用植筋錨栓連接；另一種采用鋼套筒與混凝土墩柱抱箍并用對穿螺栓連接。加固后支座布置如圖4所示。

圖4 加固后支座布置圖

4 加固效果分析

為了計算加固后該匝道橋的抗傾覆性能，用MIDAS 2021進行加固后的分析計算，其有限元模型如圖5所示，同時荷載工況按照加固前的荷載工況進行計算。此時該匝道橋失效支座為0-1#、1-1#、2-1#、3-1#、4-1#支座，加固后的抗傾覆驗算見表2。

圖5 加固后箱梁模型圖

表2 加固后匝道橋抗傾覆穩定性驗算

經過計算，加固后各個支座節點最不利基本組合作用下支反力最小值都大于0，每個支座都不存在脫空的危險；在標準組合作用下，抗傾覆系數的最小值為5.02，大于2.5，滿足規范要求，此次鋼蓋梁加固滿足規范要求［6-7］。

5 結論

目前，橋梁發生破壞大多非橋梁自身強度、剛度破壞，主要是橋梁整體失穩破壞。本研究結合具體工程實例，利用MIDAS有限元軟件，對該匝道橋在特定荷載工況下進行加固前后的支反力以及抗傾覆系數驗算。最后，得出以下4個結論。

①利用MIDAS軟件，對該匝道橋進行支反力以及抗傾覆系數的驗算，結果表明，該匝道橋橋臺內側0-1#支座和4-1#支座存在脫空的風險，并且其抗傾覆系數不滿足規范要求。

②在進行支反力和抗傾覆系數的驗算時，只考慮汽車偏載會使計算的結果偏大，建議在荷載工況中還要考慮溫度、支座沉降、離心力和制動力的影響，這樣可以使結果更加精確。

③對于支反力驗算沒有滿足規范要求的橋梁，可以采用增設拉桿的方式來改善；特征狀態2即抗傾覆系數的驗算沒有滿足規范要求，可以在墩柱位置處增設支座來改善。

④針對該匝道橋，結合其自身建設條件，最后選擇采用增設鋼蓋梁與支座的方式來改善其抗傾覆性能，經過驗算，加固后該匝道橋的抗傾覆性能滿足規范要求。