獨柱墩連續曲線箱梁橋抗傾覆性能評估與加固

阮云龍

(佛山市三水區公路養護中心,廣東 佛山 528135)

0 引言

獨柱墩連續曲線箱梁橋因其結構簡單、占用橋下空間小、適用性強、線形美觀流暢、行車視野好、經濟性較好等優點,成為公路互通匝道設計中常用的橋型之一。然而,該橋型因結構布置上采用獨柱墩支承,過渡墩為間距較窄的雙支座或三支座平面布置形式,加之為連續多跨箱梁,當多輛重載車輛橫向偏載行駛于橋梁單側時,箱梁較易出現支座脫空、滑移和傾覆[1]。隨著獨柱墩連續曲線箱梁多起傾覆事故的發生,該類橋梁傾覆機理、影響因素和抗傾覆能力的提升等逐漸引起了橋梁工程界的關注。如:彭衛兵等[2]總結了獨柱墩橋梁傾覆破壞的模式;陳映貞等[3]提出了獨柱墩橋梁抗傾覆驗算的實用計算方法;殷新鋒等[4]分析了曲率半徑、連續跨數、梁端支座間距等因素對獨柱墩彎橋抗傾覆穩定性的影響;陳耀金等[5]對獨柱墩連續彎橋的抗傾覆穩定性進行驗算分析,并結合橋梁結構特點,提出了橋梁抗傾覆能力的加固措施。上述研究成果一定程度上為獨柱墩橋梁抗傾覆分析和加固設計提供了參考,且部分內容被《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)修訂時采用[6]。

在獨柱墩橋梁營運管理方面,為確保該類橋梁的營運安全,2020年交通運輸部組織相關管理部門對公路獨柱墩橋梁抗傾覆的穩定性進行排查和提升[7]。2021年3月,交通運輸部對該類橋梁抗傾覆安全性提出了更為嚴格的要求,增加了蓋梁、橋墩、支座和基礎的承載能力驗算規定[8]。2022年3月,交通運輸部再次要求各橋梁營運管理單位對獨柱墩橋梁存在的安全隱患進行排查[9]。

本文根據現行橋梁設計規范和行業管理部門的規定和技術要求,歸納該類橋梁抗傾覆評估的內容、要點和加固方法,并結合工程實例,對獨柱墩連續曲線箱梁橋的抗傾覆性能進行加固性能分析,為同類型橋梁的抗傾覆評估和加固提供參考。

1 傾覆評估要點

獨柱墩連續曲線箱梁橋的傾覆過程為:橋梁上部結構在偏心移動荷載作用下,支座反力逐漸減少,脫離正常的受壓狀態,且不能提供有效的約束,支承邊界呈現非線性,結構受力體系發生改變,隨后結構發生幾何大扭轉和橫向失穩,傾覆、垮塌,并造成支座、橋墩連帶損壞等,如圖1所示。

根據橋梁設計規范和行業技術要求,為避免該類橋梁發生傾覆破壞,橋梁抗傾覆能力評估的內容和要點如下:

(1)進行橋梁抗傾覆能力評估時,應重點計算支座反力和上部結構的抗傾覆穩定系數,具體的計算方法參見JTG 3362-2018第4.1.8條及條文說明規定。

(2)橋梁抗傾覆能力是否滿足規范要求的判定標準:在作用基本組合下,橋梁支座保持受壓。且作用標準組合下主梁抗傾覆穩定系數在2.5以上。

(3)對不同的道路等級和荷載標準,應結合橋梁實際情況,選擇恰當的驗算汽車荷載。具體取用標準可參照表1。

表1 結構驗算的汽車荷載取用標準

表2 作用基本組合(左偏)支點最小反力

(4)除了對橋梁上部結構抗傾覆能力驗算外,還應對蓋梁、橋墩、支座和基礎的承載能力進行驗算[8]。

2 抗傾覆加固方法

提升獨柱墩連續曲線箱梁橋抗傾覆能力的方法主要包括:單支承變多支承、單支承改為固結、設置冗余約束(如拉拔、限位裝置)等[7-9]。

2.1 單支承變多支承

通過獨柱單支承變多柱多支承(獨柱墩改多柱墩)或獨柱單支承變單柱多支承(獨柱墩加寬或增設蓋梁),能使結構在偏載下抗傾覆能力有較大的提高。該方案對橋梁結構體系改變不大,且能較大幅度地提高其抗傾覆能力,是在橋下凈空不受限制的場景中,應用最為廣泛的一種加固方法,如圖2所示。

圖2 單支承變多支承

2.2 單支承改固結

將橋墩支承改為橋墩與主梁固結,雖能提升橋梁的抗傾覆能力,但會導致橋梁的結構體系發生改變。采用該方法進行橋梁抗傾覆加固時,應重點驗算橋墩的強度。該方法更適用于橋下空間受限的高獨柱墩橋梁,如圖3所示。

圖3 單支承改固結

2.3 設置冗余約束

在獨柱墩上設置冗余約束,雖在一定程度上能夠提高重載下橋梁的抗傾覆能力,但提高幅度相對有限。該方法較為適用于防止突發偶然荷載(如地震)下主梁的滑移和傾覆,如圖4所示。

圖4 設置冗余約束

圖5 典型橫斷面(單位:cm)

圖6 橋梁支座平面布置

3 工程實例分析

3.1 工程概況

佛山市三水二橋及引道公路工程的石湖洲互通立交D匝道橋全長78m,上部結構為3×25m預應力混凝土連續曲線箱梁,曲線半徑60m,橋寬8.75m。橋墩采用直徑為1.3m的獨立圓柱墩,橋墩基礎為直徑1.5m的鉆孔灌注樁。支承位置相對圓弧中線向外偏心70cm。橋臺為座板式臺,橋臺基礎為鉆孔灌注樁基礎。支座采用盆式橡膠支座。該橋建成于2007年5月,設計汽車荷載等級為公路-I級。

3.2 計算模型的建立

采用Midas Civil建立結構空間受力分析的有限元模型(圖7),邊界根據現場核查、檢測的實際情況進行合理簡化和修正,同時考慮施工順序、預應力張拉、非線性等因素對支座反力的影響。分析模型的計算荷載包括自重、整體升降溫、溫度梯度、收縮、徐變、支座沉降、汽車荷載等,并按照文獻[13]的規定考慮荷載組合。

圖7 橋梁抗傾覆驗算有限元模型(原結構)

3.3 原結構抗傾覆能力驗算

依據JTG 3362-2018第4.1.8條及條文說明規定,重點分析曲線內、外側偏載兩種工況下箱梁的支座反力及抗傾覆穩定性系數。

(1)支座反力驗算結果。由表3可知,在基本組合作用下,單向受壓支座均保持受壓狀態。

表3 作用基本組合(右偏)支點最小反力

(2)由表4可知,最不利布載(左偏)橫橋向抗傾覆穩定性系數為1.9,小于2.5。

表4 結構最不利布載(左偏)橫橋向抗傾覆穩定性系數

表5 結構最不利布載(右偏)橫橋向抗傾覆穩定性系數

綜上,該橋抗傾覆穩定性不滿足規范要求。

3.4 抗傾覆加固設計

3.4.1 加固方案的選定

結合該橋抗傾覆驗算結果和結構特點及現場使用條件、經濟性等因素,該橋的加固設計采用在1個獨柱墩處改單支承為多支承。首先考慮在1#獨柱墩處增設蓋梁與增設支點的方法,但由于該橋平面曲線半徑較小,獨柱墩采用偏心設置,且為單樁單柱結構(無承臺),增設蓋梁后原有的獨柱墩受力模式由軸心受壓變為偏心受壓。經驗算,采用增設蓋梁與增設支點的方法,最不利偏載情況下獨柱墩偏心受壓承載力無法滿足要求,驗算結果見表6。

表6 增設蓋梁與增設支點時獨柱墩承載力驗算結果

由于原橋獨柱墩為單樁單柱結構,無法通過增大截面或改造為薄壁墩等方法提高下部結構的承載能力和抗傾覆穩定性。為此,考慮采用將獨柱墩增設樁柱改為多主墩方案進行加固(獨柱墩改為多柱墩),如圖8所示。

圖8 獨柱墩改多柱墩支承加固(單位:cm)

在1#墩兩側增加混凝土樁、柱,箱梁在新增支座位置處增設外挑橫梁,將1#墩單支承改為多支承。在正常恒載作用下,新增支座不參與受力;在活載作用下,當發生偏載時,相應位置新增支座參與受力,由單支承變為多支承,加強主梁的抗扭剛度。該加固方法的優勢主要有以下兩方面:

(1)上部結構加固后增強橫橋向的穩定性,梁體在活載作用下整體對稱受力,在解決橋梁整體橫向抗扭不足的同時,避免對主梁整體受力造成不利影響。

(2)增設墩柱后,有效地降低了最不利荷載下主墩的最大受力,一定程度上提升了橋梁下部結構的整體承載能力。

根據原橋圖紙資料,橋位1#墩和2#墩處的土層主要為人工填土、黏土、砂、卵石和砂礫巖,其中砂礫巖為較好的持力層,土層分布大約為-33～-38m左右(設計參照地質情況并參照原橋樁長控制40m長)。新增樁基采用端承樁,設計樁長按構造要求進入中風化巖層3倍樁徑后,方可終孔。

3.4.2 加固后結構抗傾覆能力驗算

1#墩曲線兩側分別距原支座1.8m處新增2個支座,計算模型如圖9所示。

圖9 橋梁抗傾覆驗算有限元模型(加固后)

加固后的橋梁抗傾覆穩定性驗算結果:

(1)支座反力驗算?？紤]作用基本組合,在車輛荷載左偏和右偏的工況下,單向受壓支座均保持受壓狀態。各支點最小反力見表7和表8。

表7 作用基本組合(左偏)支點最小反力

表8 作用基本組合(右偏)支點最小反力

(2)抗傾覆穩定性系數。由表9和表10可知,按作用標準值計算,最不利布載橫橋向的抗傾覆穩定性系數為3.3,大于2.5。

表9 結構最不利布載(左偏)橫橋向抗傾覆穩定性系數

表10 結構最不利布載(右偏)橫橋向抗傾覆穩定性系數

因此,采用增設樁柱改為多柱墩的方案,支座反力和抗傾覆穩定系數均滿足規范要求。

4 結語

(1)對不同道路等級和荷載標準的橋梁,應結合橋梁原設計和結構狀況,選擇更符合實際營運狀況的驗算汽車荷載,并應重點計算橋梁的支座反力和上部結構的抗傾覆穩定系數。

(2)獨柱墩曲線箱梁抗傾覆穩定性分析,除驗算支座反力和橋梁抗傾覆穩定系數外,還應結合最新的橋梁設計荷載標準,驗算最不利荷載下橋梁蓋梁、橋墩、支座和基礎的承載能力。

(3)在橋下凈空不受限時,應優先考慮采用增大墩臺支座間距、獨柱單支承變多支承的加固措施,提升橋梁的抗傾覆能力。高獨柱墩橋梁抗傾覆加固,可考慮將獨柱單支承改為固結,并適當提升橋墩和基礎承載力的加固措施。

(4)采用獨柱墩改為多柱墩的加固方法,能夠有效提升橋梁的抗傾覆能力。本文算例橋梁加固后橫向內外側的抗傾覆穩定系數分別為3.3和4.0,為加固前的1.73倍與1.48倍。