某獨柱墩箱梁橋抗傾覆加固設計

辜友平，劉 偉，宋松科

（四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017）

0 引言

箱梁結構是一種常見的結構形式，廣泛應用于公路匝道、市政高架、立交樞紐中。在早期的設計中，下部橋墩采用獨柱墩較為常見，部分橋梁在跨中連續設置獨柱墩。自2007 年以來，國內相繼發生獨柱墩橋梁傾覆倒塌事故，影響十分嚴重且帶來廣泛的社會輿論。鑒于此，相關學者對獨柱墩橋梁進行了事故調研并進行了系統分析，莊冬利[1]對比了國內外橋梁設計規范，對偏載下箱梁橋的抗傾覆計算提出了討論；曹景等[2]對箱型截面梁橋基于力學原理推導出計算抗傾覆穩定系數的簡化公式，并研究了不同曲線半徑橋梁的抗傾覆能力；彭衛兵等[3-5]研究了獨柱墩橋梁的傾覆破壞模式并提出了抗傾覆承載力計算方法；王文龍等[6]對支座布置形式對曲線橋梁抗傾覆能力進行了探討。隨著研究的深入，獨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應力混凝土橋涵設計規范》[7]（下稱《橋規》)在這些研究的基礎上對抗傾覆驗算提出了新的要求。現依托某公路匝道橋，依據新版《橋規》對其進行抗傾覆驗算并進行抗傾覆加固設計。

1 工程背景

某匝道橋平面布置如圖1 所示，該橋上部結構為（3×20）m+（4×20）m 普通鋼筋混凝土連續箱梁，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。設計荷載為公路—Ⅰ級，其中第一聯1#、2# 橋墩為連續獨柱墩，1#、2#橋墩處支座預偏心20 cm，1# 墩墩高7.5 m，2# 墩墩高14.5 m，原設計在1# 墩處設置固定支座，2# 墩處設置單向活動支座。按照《橋規》計算，第一聯抗傾覆安全系數為1.7，不滿足規范要求，需要對其進行抗傾覆加固設計。

圖1 匝道橋平面布置圖（單位：cm）

2 加固設計方案

獨柱墩抗傾覆加固可采用多種方法[8]，例如：增設抗拔銷，獨柱墩處增設蓋梁，增設墩柱或外包墩柱以增設支座等形式。這些方法的原理均是將原獨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，進而增大結構的抗傾覆性能。上述方案中增設抗拔銷對提高結構抗傾覆能力有限；增設墩柱或增大墩柱尺寸可靠性好，適合橋寬較大的橋梁，但此類方案需要新增承臺或樁基，成本較高。匝道橋一般橋寬較小且橋下凈空有限，因此結合橋位處地形條件及造價的因素，匝道橋采用增設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構兩種形式，鋼筋混凝土蓋梁與橋墩的結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程復雜且工期較長，而鋼結構蓋梁相比之下則可采用較小的尺寸，鋼結構可在工廠預制，運輸到現場進行吊裝安裝。鋼結構與混凝土立柱之間通常采用錨栓進行連接，錨栓與鋼結構受力都較為清晰，能夠保證二者之間的可靠連接，因此鋼結構蓋梁是推薦的連接形式。該橋加固方案選用的鋼結構蓋梁構造如圖2 所示，鋼蓋梁橫橋向長度與箱梁底同寬，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 鋼蓋梁構造圖

鋼蓋梁加固的施工順序為：

（1）在工廠分成兩個半結構進行加工制作并進行涂裝，根據墩柱與箱梁的相對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行錨栓孔定位、鉆孔、清孔，在鋼蓋梁下抱箍相應位置進行開孔。

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

（4）現場將鋼蓋梁下抱箍半結構焊接成整體。

（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）現場將鋼蓋梁與下抱箍焊接成一體。

（8）對焊接成整體的鋼蓋梁鋼混結合面進行壓力注漿。

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

該加固方案不進行支座頂升，不改變原支座的受力狀態，恒載仍由原支座承受，當上部偏載時，新增支座開始受力，提供抗傾覆力矩。該方法施工簡便且對原結構影響較小。

3 計算結果與分析

3.1 抗傾覆加固計算

根據上述加固方案及原理，建立加固計算有限元模型。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，新增支座只有一側受力，另一側支座不起支承作用。有限元模型建立時只考慮受力側支座，車輛外偏時忽略新增內側支座，車輛內偏時忽略新增外側支座。加固橋墩可選擇中間單墩加固和中間雙墩加固。加固計算中，車輛偏載按實際車道布載。計算傾覆系數時，規范中明確需按照標準組合進行計算。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、風荷載作用，支座間距結合梁底寬度與原支座位置盡可能拉大。雙墩加固外側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》對上述加固工況進行特征狀態1 和特征狀態2 驗算，驗算結果如表1 所列。

表1 加固方案驗算結果表

由表1 可知，對于該橋，加固單墩時，對于內側傾覆工況，曲線外側支座容易出現負反力，且特征狀態2 下抗傾覆穩定性系數不能滿足規范要求。對雙墩同時加固時，抗傾覆穩定系數相比單墩加固能提高1 倍左右，因此，針對該案例，雙墩加固更加安全可靠。對于不同曲線半徑的橋梁，可能僅加固1 處橋墩即可達到規范要求，需要結合實際情況具體分析。

3.2 橋墩及鋼蓋梁驗算

新增支座后，上部偏載會對橋墩產生偏心作用，需對橋墩進行承載力驗算，有限元模型如圖4 所示，計算結果如表2 所列。

表2 墩柱驗算結果表

圖4 橋墩驗算有限元模型

偏載作用下，需對鋼蓋梁進行驗算，采用ansys對鋼蓋梁進行實體建模，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，計算模型如圖5 所示。

圖5 鋼蓋梁有限元模型

由上述計算結果可知，新增支座后針對偏載情況，橋墩承載力仍滿足要求，鋼蓋梁局部最大von-mises應力點位于新增支座位置，數值為160.31 MPa，其余位置應力均處于較低水平，同時錨栓的抗拉、抗剪、鋼板的穩定性均能達到要求。

4 結論

（1）結合工程實際，對某連續箱梁進行了抗傾覆加固設計，介紹了一種增設鋼蓋梁改多支承的加固方式。該方法施工簡便，不改變恒載作用下原結構受力狀態，可靠性較好。

（2）通過計算不同墩處進行增設蓋梁加固并同時考慮外側和內側兩種傾覆工況，顯示該案例僅在中間單墩增設蓋梁不能滿足抗傾覆要求，在中間雙墩增設蓋梁變多支承以后，抗傾覆性能得到顯著提高。

（3）加固后驗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。