某獨(dú)柱墩箱梁橋抗傾覆加固設(shè)計(jì)

辜友平，劉 偉，宋松科

（四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017）

0 引言

箱梁結(jié)構(gòu)是一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，廣泛應(yīng)用于公路匝道、市政高架、立交樞紐中。在早期的設(shè)計(jì)中，下部橋墩采用獨(dú)柱墩較為常見(jiàn)，部分橋梁在跨中連續(xù)設(shè)置獨(dú)柱墩。自2007 年以來(lái)，國(guó)內(nèi)相繼發(fā)生獨(dú)柱墩橋梁傾覆倒塌事故，影響十分嚴(yán)重且?guī)?lái)廣泛的社會(huì)輿論。鑒于此，相關(guān)學(xué)者對(duì)獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行了事故調(diào)研并進(jìn)行了系統(tǒng)分析，莊冬利[1]對(duì)比了國(guó)內(nèi)外橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)偏載下箱梁橋的抗傾覆計(jì)算提出了討論；曹景等[2]對(duì)箱型截面梁橋基于力學(xué)原理推導(dǎo)出計(jì)算抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的簡(jiǎn)化公式，并研究了不同曲線半徑橋梁的抗傾覆能力；彭衛(wèi)兵等[3-5]研究了獨(dú)柱墩橋梁的傾覆破壞模式并提出了抗傾覆承載力計(jì)算方法；王文龍等[6]對(duì)支座布置形式對(duì)曲線橋梁抗傾覆能力進(jìn)行了探討。隨著研究的深入，獨(dú)柱墩箱梁橋傾覆原理一步步被揭示，18 版《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]（下稱《橋規(guī)》)在這些研究的基礎(chǔ)上對(duì)抗傾覆驗(yàn)算提出了新的要求。現(xiàn)依托某公路匝道橋，依據(jù)新版《橋規(guī)》對(duì)其進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算并進(jìn)行抗傾覆加固設(shè)計(jì)。

1 工程背景

某匝道橋平面布置如圖1 所示，該橋上部結(jié)構(gòu)為（3×20）m+（4×20）m 普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，橋面寬度為9 m，箱梁底寬5 m，平面位于R=53.5 m、Ls=80 m 的圓曲線及緩和曲線上。設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)，其中第一聯(lián)1#、2# 橋墩為連續(xù)獨(dú)柱墩，1#、2#橋墩處支座預(yù)偏心20 cm，1# 墩墩高7.5 m，2# 墩墩高14.5 m，原設(shè)計(jì)在1# 墩處設(shè)置固定支座，2# 墩處設(shè)置單向活動(dòng)支座。按照《橋規(guī)》計(jì)算，第一聯(lián)抗傾覆安全系數(shù)為1.7，不滿足規(guī)范要求，需要對(duì)其進(jìn)行抗傾覆加固設(shè)計(jì)。

圖1 匝道橋平面布置圖（單位：cm）

2 加固設(shè)計(jì)方案

獨(dú)柱墩抗傾覆加固可采用多種方法[8]，例如：增設(shè)抗拔銷，獨(dú)柱墩處增設(shè)蓋梁，增設(shè)墩柱或外包墩柱以增設(shè)支座等形式。這些方法的原理均是將原獨(dú)柱墩處單支承改為雙支承或多支承，同一橋墩上的橫向雙支座即可以形成“抗扭支撐”，使抗扭跨徑也得到減小，進(jìn)而增大結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能。上述方案中增設(shè)抗拔銷對(duì)提高結(jié)構(gòu)抗傾覆能力有限；增設(shè)墩柱或增大墩柱尺寸可靠性好，適合橋?qū)捿^大的橋梁，但此類方案需要新增承臺(tái)或樁基，成本較高。匝道橋一般橋?qū)捿^小且橋下凈空有限，因此結(jié)合橋位處地形條件及造價(jià)的因素，匝道橋采用增設(shè)蓋梁改為多支承的加固方法更為合適。新增蓋梁可采用鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)兩種形式，鋼筋混凝土蓋梁與橋墩的結(jié)合需要采用植筋的方式。為了滿足受力性能，通常鋼筋混凝土蓋梁需要采用較大的尺寸，植筋并澆筑混凝土過(guò)程復(fù)雜且工期較長(zhǎng)，而鋼結(jié)構(gòu)蓋梁相比之下則可采用較小的尺寸，鋼結(jié)構(gòu)可在工廠預(yù)制，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝安裝。鋼結(jié)構(gòu)與混凝土立柱之間通常采用錨栓進(jìn)行連接，錨栓與鋼結(jié)構(gòu)受力都較為清晰，能夠保證二者之間的可靠連接，因此鋼結(jié)構(gòu)蓋梁是推薦的連接形式。該橋加固方案選用的鋼結(jié)構(gòu)蓋梁構(gòu)造如圖2 所示，鋼蓋梁橫橋向長(zhǎng)度與箱梁底同寬，高度為1.5 m，頂板、腹板及鋼套筒板厚24 mm，腹板加勁肋板厚16 mm，鋼蓋梁下抱箍厚30 mm。

圖2 鋼蓋梁構(gòu)造圖

鋼蓋梁加固的施工順序?yàn)椋?/p>

（1）在工廠分成兩個(gè)半結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工制作并進(jìn)行涂裝，根據(jù)墩柱與箱梁的相對(duì)位置確定墊石厚度并澆筑支座墊石。

（2）在墩柱上探明主筋位置后進(jìn)行錨栓孔定位、鉆孔、清孔，在鋼蓋梁下抱箍相應(yīng)位置進(jìn)行開(kāi)孔。

（3）鋼混結(jié)合面除銹后，安裝鋼蓋梁下抱箍（可先安裝好支座），緊固鋼套筒兩側(cè)拼接螺栓。

（4）現(xiàn)場(chǎng)將鋼蓋梁下抱箍半結(jié)構(gòu)焊接成整體。

（5）安裝錨栓，并安裝螺帽；螺帽擰緊后，罩上半球型裝飾蓋。

（6）鋼蓋梁下抱箍完成安裝后，類比（3）、（4）工序完成鋼蓋梁安裝。

（7）現(xiàn)場(chǎng)將鋼蓋梁與下抱箍焊接成一體。

（8）對(duì)焊接成整體的鋼蓋梁鋼混結(jié)合面進(jìn)行壓力注漿。

（9）安裝梁底調(diào)平塊，在新增支座與梁底之間壓注高流態(tài)環(huán)氧灌注填充料，保證支座與調(diào)平鋼板之間密貼。

該加固方案不進(jìn)行支座頂升，不改變?cè)ё氖芰顟B(tài)，恒載仍由原支座承受，當(dāng)上部偏載時(shí)，新增支座開(kāi)始受力，提供抗傾覆力矩。該方法施工簡(jiǎn)便且對(duì)原結(jié)構(gòu)影響較小。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 抗傾覆加固計(jì)算

根據(jù)上述加固方案及原理，建立加固計(jì)算有限元模型。新增支座為圓形滑板式橡膠支座，只考慮承受豎向力。汽車偏載時(shí)，新增支座只有一側(cè)受力，另一側(cè)支座不起支承作用。有限元模型建立時(shí)只考慮受力側(cè)支座，車輛外偏時(shí)忽略新增內(nèi)側(cè)支座，車輛內(nèi)偏時(shí)忽略新增外側(cè)支座。加固橋墩可選擇中間單墩加固和中間雙墩加固。加固計(jì)算中，車輛偏載按實(shí)際車道布載。計(jì)算傾覆系數(shù)時(shí)，規(guī)范中明確需按照標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計(jì)算。因此，涉及到橋梁傾覆的荷載工況均需考慮，該橋考慮整體升降溫、梯度溫度、離心力、沖擊力、風(fēng)荷載作用，支座間距結(jié)合梁底寬度與原支座位置盡可能拉大。雙墩加固外側(cè)傾覆工況有限元模型如圖3 所示。

圖3 典型工況有限元模型

按照《橋規(guī)》對(duì)上述加固工況進(jìn)行特征狀態(tài)1 和特征狀態(tài)2 驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果如表1 所列。

表1 加固方案驗(yàn)算結(jié)果表

由表1 可知，對(duì)于該橋，加固單墩時(shí)，對(duì)于內(nèi)側(cè)傾覆工況，曲線外側(cè)支座容易出現(xiàn)負(fù)反力，且特征狀態(tài)2 下抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)不能滿足規(guī)范要求。對(duì)雙墩同時(shí)加固時(shí)，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)相比單墩加固能提高1 倍左右，因此，針對(duì)該案例，雙墩加固更加安全可靠。對(duì)于不同曲線半徑的橋梁，可能僅加固1 處橋墩即可達(dá)到規(guī)范要求，需要結(jié)合實(shí)際情況具體分析。

3.2 橋墩及鋼蓋梁驗(yàn)算

新增支座后，上部偏載會(huì)對(duì)橋墩產(chǎn)生偏心作用，需對(duì)橋墩進(jìn)行承載力驗(yàn)算，有限元模型如圖4 所示，計(jì)算結(jié)果如表2 所列。

表2 墩柱驗(yàn)算結(jié)果表

圖4 橋墩驗(yàn)算有限元模型

偏載作用下，需對(duì)鋼蓋梁進(jìn)行驗(yàn)算，采用ansys對(duì)鋼蓋梁進(jìn)行實(shí)體建模，約束鋼蓋梁套筒，提取偏載下新增支座處支反力作用于鋼蓋梁上，計(jì)算模型如圖5 所示。

圖5 鋼蓋梁有限元模型

由上述計(jì)算結(jié)果可知，新增支座后針對(duì)偏載情況，橋墩承載力仍滿足要求，鋼蓋梁局部最大von-mises應(yīng)力點(diǎn)位于新增支座位置，數(shù)值為160.31 MPa，其余位置應(yīng)力均處于較低水平，同時(shí)錨栓的抗拉、抗剪、鋼板的穩(wěn)定性均能達(dá)到要求。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)某連續(xù)箱梁進(jìn)行了抗傾覆加固設(shè)計(jì)，介紹了一種增設(shè)鋼蓋梁改多支承的加固方式。該方法施工簡(jiǎn)便，不改變恒載作用下原結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，可靠性較好。

（2）通過(guò)計(jì)算不同墩處進(jìn)行增設(shè)蓋梁加固并同時(shí)考慮外側(cè)和內(nèi)側(cè)兩種傾覆工況，顯示該案例僅在中間單墩增設(shè)蓋梁不能滿足抗傾覆要求，在中間雙墩增設(shè)蓋梁變多支承以后，抗傾覆性能得到顯著提高。

（3）加固后驗(yàn)算了偏載作用下橋墩和鋼蓋梁的承載力，均能滿足要求，證明了此方案的安全性。