某城市高架橋梁傾覆風險評估及治理對策研究

謝曙輝

(華設(shè)檢測科技有限公司 南京市 210014)

0 引言

獨柱墩橋梁具有土地占用少、工程造價低、造型優(yōu)美等優(yōu)勢,多應(yīng)用于城市高架橋梁及匝道橋梁中。日本城市高架先使用了獨柱墩橋梁,其他發(fā)達國家逐步開始采用此類橋梁。獨柱墩橋梁在我國同樣得到了迅猛發(fā)展,二十世紀八十年代初,有關(guān)獨柱墩橋梁的計算分析理論初步形成;到二十世紀九十年代,實際工程中逐漸采用獨柱墩橋梁形式,設(shè)計計算分析方法也日益成熟;進入二十一世紀后,獨柱墩橋梁在全國各地橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展加快,獨柱墩橋梁建設(shè)規(guī)模增大,加之交通流量急劇增多,特別是車輛超載現(xiàn)象頻發(fā),獨柱墩橋梁傾覆事故逐漸增多,獨柱墩橋梁的工程應(yīng)用更為謹慎,獨柱墩橋梁的研究重點從整體設(shè)計分析逐步轉(zhuǎn)向橫向抗傾覆設(shè)計與加固方法研究。

文章闡述了長三角地區(qū)某特大城市高架獨柱墩橋梁傾覆風險排查方法以及對存在橫向失穩(wěn)風險橋梁相應(yīng)治理措施的制定策略,相關(guān)方法思路可為從業(yè)人員提供參考借鑒。

1 傾覆機理及驗算方法

1.1 傾覆機理

獨柱墩橋梁具有鮮明的結(jié)構(gòu)特點,通常其橋面寬度窄、設(shè)計車道數(shù)較少,平面布置采用直線梁或小半徑曲線梁形式。上部結(jié)構(gòu)采用整體式連續(xù)箱形梁,下部結(jié)構(gòu)在中間墩位置部分采用單柱墩形式。單柱墩位置的主梁支承方式有墩梁固結(jié)和支座支承兩種,其中支座支承又可分為單支座支承和多支座支承,在橋臺或過渡墩位置的主梁支承方式為多支座支承。

在密集重車作用下,汽車活載將對獨柱墩橋梁產(chǎn)生離心力及偏載效應(yīng)。當車輛荷載產(chǎn)生的傾覆力矩大于梁體自重抗傾覆力矩時,邊支點支座容易出現(xiàn)部分脫空現(xiàn)象,中支點墩梁固結(jié)部位容易出現(xiàn)混凝土開裂現(xiàn)象。隨著車輛荷載產(chǎn)生的傾覆力矩逐漸增大,邊支點支座脫空程度將進一步加重,中支點墩梁固結(jié)處將出現(xiàn)混凝土偏壓破壞,進而導(dǎo)致橋梁失去橫向穩(wěn)定性,橋梁逐步由結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成機構(gòu)狀態(tài),最終發(fā)生橋梁的橫向傾覆,獨柱墩橋梁的傾覆破壞具有連續(xù)性及不可逆性。獨柱墩橋梁的傾覆現(xiàn)象,可歸結(jié)為力學中結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定問題。獨柱墩橋梁的橫向傾覆,與第二類穩(wěn)定問題類似,傾覆過程中會出現(xiàn)邊界非線性和材料非線性現(xiàn)象[2]。

1.2 驗算方法

國內(nèi)外均有關(guān)于獨柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性的驗算方法和標準,相關(guān)驗算指標差異較大[3],文章采取的驗算思路為依據(jù)《公路混凝土橋梁及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計規(guī)范》[4](JTG 3362—2018)(以下簡稱《混規(guī)》)有關(guān)規(guī)定,同時結(jié)合交通運輸部發(fā)布的《公路危舊橋梁排查和改造技術(shù)要求》[5](以下簡稱《要求》)中相關(guān)指導(dǎo)意見。

驗算荷載標準依據(jù)《要求》取值列于表1。抗傾覆驗算技術(shù)路徑見圖1。首先進行橋梁基礎(chǔ)資料搜集及現(xiàn)場復(fù)核工作;其次判斷橋梁支承類型,通過有限元方法針對性地進行分析,具體而言,對于支座支承橋梁,其抗傾覆驗算方法按《混規(guī)》的4.1.8條款執(zhí)行,對橋梁支座脫壓及橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)進行驗算。對于墩梁固結(jié)橋梁,其抗傾覆驗算方法按《要求》的附錄C執(zhí)行,重點對固結(jié)墩結(jié)構(gòu)抗力進行驗算。

圖1 獨柱墩橋梁抗傾覆驗算技術(shù)路徑

表1 抗傾覆驗算的汽車荷載取值標準

1.3 驗算示例

某橋為3×20m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土等截面連續(xù)箱梁,橋面寬度16.5m,箱梁一般橫斷面如圖2所示,支座布置形式如表2所示。采用Midas Civil進行計算分析,有限元模型如圖3所示。分別考慮汽車活載左右偏載兩種狀況,分析工況示意見圖4,計算結(jié)果見表3、表4。

圖2 箱梁一般橫斷面(單位:cm)

圖3 有限元模型

圖4 特征狀態(tài)2支座示意圖

表2 箱梁支座布置信息表

表3 結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算結(jié)果表—右偏失效

驗算結(jié)果表明,活載右偏驗算工況下結(jié)構(gòu)抗傾覆性滿足規(guī)范要求;活載左偏驗算工況下特征狀態(tài)1出現(xiàn)負支反力(支座脫壓),特征狀態(tài)2穩(wěn)定性系數(shù)小于2.5,不滿足規(guī)范要求;故本橋結(jié)構(gòu)抗傾覆不滿足規(guī)范要求。

2 傾覆風險因素分析

獨柱墩橋梁的橫向穩(wěn)定性受多種因素影響,不限于橋梁設(shè)計荷載等級、實際交通荷載水平、橋梁平面及橫向布置形式、橋面寬度、橋梁支承形式、支座間距等。

基于某城市高架橋梁抗傾覆驗算結(jié)果,文章分析了該城市高架橋梁總體抗傾覆驗算結(jié)果及橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)K的分布情況,考察了橋梁設(shè)計年代、直彎橋型、支承形式、橋面寬度、橋面寬度/支座間距與傾覆驗算結(jié)果的相關(guān)性。具體結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 項目橋梁抗傾覆驗算總體情況

圖6 直彎橋梁抗傾覆驗算結(jié)果分布

圖7 橋梁不同支承形式下抗傾覆驗算結(jié)果分布

圖8 不同橋面寬度、支座間距對抗傾覆驗算結(jié)果的影響

從驗算結(jié)果可知,橋梁抗傾覆驗算總體通過率僅為46.33%,驗算未通過的橋梁中,僅狀態(tài)1驗算(支座脫壓驗算,下同)未通過的占40.83%,僅狀態(tài)2驗算(穩(wěn)定性系數(shù)驗算,下同)未通過的占3.21%,狀態(tài)1與狀態(tài)2驗算均未通過的占9.63%。在驗算荷載下,未通過驗算橋梁出現(xiàn)支座負反力的情形較為普遍,狀態(tài)2驗算未通過的橋梁,其K值集中分布在0.5～2.0之間。

文章選取《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)的實施時間為橋梁設(shè)計年代影響的分界點,此規(guī)范較前期《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTJ 021—89)對設(shè)計汽車荷載作了有較大改進。驗算結(jié)果表明,設(shè)計年代在2004年(含)之前的橋梁共167聯(lián),抗傾覆驗算未通過率為60.48%,2004年之后的橋梁共51聯(lián),未通過率為31.38%。驗算未通過橋梁中,2004年(含)之前設(shè)計的占絕大多數(shù)。

直線橋驗算未通過率為46.99%,曲線橋驗算未通過率為57.78%,曲線橋的驗算通過率明顯小于直線橋。不含單支座的橋梁較為普遍,占總數(shù)的80.28%,不含單支座橋梁抗傾覆驗算未通過率為52.00%,含單支座橋梁驗算未通過率為60.47%,由此可見,不僅僅是單支座支承橋梁,對于不含單支座橋梁的橫向傾覆問題同樣亟需重視。

綜合考察了橋面寬度、支座間距以及兩者之間相對關(guān)系對橋梁傾覆驗算結(jié)果的影響。從驗算結(jié)果可知,橋梁橋面寬度B≤10m的情形下,支座間距D≤2m的驗算未通過率為69.47%,橋面寬度B>10m的情形為100%;橋梁橋面寬度B≤10m的情形下,2m<支座間距D≤4m的驗算未通過率為32.47%,橋面寬度B>10m的情形為78.57%;橋梁橋面寬度B≤10m的情形下,支座間距D>4m的驗算未通過率為50%,橋面寬度B>10m的情形為25%;支座間距越小,橋梁抗傾覆驗算未通過率越高。隨著橋面寬度B與支座間距D的比值的增大,橋梁抗傾覆驗算未通過率由53.33%逐漸增長至100%,比值越大,抗傾覆驗算未通過率越高。

3 抗傾治理策略制定

結(jié)合高架橋梁傾覆風險排查總體結(jié)果,該城市行業(yè)主管部門在制定橋梁抗傾覆治理策略過程中,綜合考慮橋梁支承形式、穩(wěn)定性系數(shù)等參數(shù)影響程度以及年度財政計劃,提出了“分步走”的治理方案。

對于抗傾覆驗算未通過的橋梁,優(yōu)先治理特征狀態(tài)1及狀態(tài)2驗算均未通過以及固結(jié)墩抗力驗算未通過的橋梁,其次治理特征狀態(tài)1驗算未通過且特征狀態(tài)2情形下,穩(wěn)定性系數(shù)K<5的橋梁,最后治理剩余的橋梁。

在橋梁抗傾覆加固治理思路上,對于狀態(tài)1驗算未通過且支座拉力較小時,考慮增設(shè)抗拔約束裝置進行加固;對于單支座支承橋梁,考慮采用多墩加蓋梁改多支承的方式進行加固;對于多支座支承橋梁,考慮采用拉大支座間距的方式進行加固;對于墩梁固結(jié)橋梁,考慮采用單墩加強改多支承的方式進行加固[6]。

4 結(jié)語

(1)文章總結(jié)了獨柱墩橋梁的結(jié)構(gòu)特點及傾覆特征,結(jié)合規(guī)范及行業(yè)要求,歸納提煉了橋梁抗傾覆驗算的工作路徑。

(2)基于某城市高架橋梁傾覆風險排查工作,介紹了項目橋梁驗算結(jié)果總體情況,分析了橋梁設(shè)計年代、結(jié)構(gòu)形式參數(shù)等因素對抗傾覆驗算結(jié)果的影響。

(3)在橋梁抗傾治理策略制定過程中,某城市行業(yè)主管部門采取了“分步走”的綜合治理策略,協(xié)調(diào)了橋梁行車安全與抗傾治理進度。