某连续箱梁弯桥抗倾覆验算及支座更换设计

2013-01-18丁志凯张志文

交通科技 2013年1期

丁志凯张志文

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司武汉 430052）

独柱墩连续梁桥由于其截面形式流畅、独柱墩占用桥下空间小、外型轻巧、整体结构美观，广泛应用于城市桥梁和高速公路互通立交匝道桥中。但由于其截面下缘有部分弧线、且独柱墩墩顶较窄，使得同一墩顶支座布置的横向间距不大，在汽车偏载作用下，对结构的横向抗倾覆稳定性非常不利［1－2］。大量的事实证明，在偶然偏心荷载作用下，独柱墩桥梁可能发生整体横向失稳，而我国大部分桥梁工作者比较关注的是桥梁抗弯、抗剪承载力是否满足规范要求，对桥梁的横向抗倾覆能力关注不够［3］。本文以广东某立交桥南引桥独柱墩连续箱梁弯桥为例，对其抗倾覆能力进行验算，评价其安全性，并提出对其更换支座的方案。

1 桥梁概况

该桥南引桥为5×18．44m普通钢筋混凝土连续箱梁弯桥，桥梁全宽13．6m，桥面净宽12．8 m，双向2车道。箱梁高1．3m，单箱双室结构，墩（台）顶处设置40cm厚的横隔梁。南引桥道路中心线为缓和曲线，弯曲半径R＝31．20m。下部构造过渡墩为双柱式墩，中间墩为独柱式墩，全桥墩台均为双支座，桥台及过渡墩支座间距4m，中间墩支座间距0．8m。南引桥6号墩及11号台设置抗扭支座。桥梁的设计荷载等级为：汽车－20级，挂－100。

2 抗倾覆验算

我国现行公路桥梁规范中，对横向倾覆稳定性没有详细规定，较常规的评定方法是支座不出现负反力。因此，抗倾覆验算采用支座不出现负支反力作为评定桥梁横向抗倾覆能力的评定标准。

2．1 支座的模拟

首先，在支座下端建立节点，并将所有的支座节点按固结约束，这是一种模拟实际情况的建模方法。然后，复制支座节点到梁底标高位置生成支座顶部节点，并将支座节点与复制生成的顶部节点用“弹性连接”中的“一般类型”进行连接，并按实际支座刚度定义一般弹性连接的刚度，相当于建立一个支座单元，其3个方向的刚度值则是由实际工程中支座的类型和尺寸来提供。最后，再建立支座顶部节点与主梁节点之间的联系。此时将利用Civil提供的“刚性连接”，以主梁节点作为主节点，支座顶部单元作为从节点，将其连接起来。这样将主梁节点与支座顶部节点形成一个受力的整体，目的也是为了真实模拟其受力情况。

2．2 计算模型及计算参数

主梁结构类型为钢筋混凝土结构，有限元计算时将结构离散为60个梁单元，见图1。

图1 南引桥有限元模型

计算中混凝土自重取26kN／m3；二期恒载中水泥混凝土铺装、防撞栏杆及人行道板容重为26 kN／m3；汽车荷载取《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62－2004）（以下简称《04规范》）中公路－II级的车道荷载，按照车道最大左偏布置；结构重要性系数取γ0＝1．0；温度梯度荷载取《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023－85）（以下简称《85规范》）中顶板升温5℃；支座沉降按照各支座不均匀沉降5mm取最大值计；验算荷载组合取《04规范》的基本组合，结合考虑《85规范》的温度梯度。

2．3 抗倾覆验算计算结果

在承载能力极限状态基本组合作用下，各支座最大、最小反力结果见表1。

表1 基本组合作用下支座反力结果表 kN

由表1可见，在公路－II级车道荷载的基本组合作用下，南引桥各支座最大支反力均未出现负支反力；最小支反力在6号墩和11号台的右侧支座（加载侧为左侧）出现负支反力，最小支反力为－674．6kN。但南引桥整体上抗倾覆能力是满足要求的，原因如下：

（1）从整体上来看，南引桥的恒载重心在桥梁圆弧内部，因此不会出现桥梁外倾倾覆的情况。

（2）从产生负支反力的支座来看，支座负反力出现在边墩的内侧支座，其他支座均未出现负反力，对边墩内侧支座能起到一定的限制作用，使其在设计荷载作用下不会倾覆。

（3）在6号墩、11号台设置的支座为抗扭支座，抗扭支座能根据设计要求，提供一定的抗拉拔力，从而可以抵消支座处出现的负反力，保证桥梁不发生倾覆。

3 支座更换设计

3．1 支座现状

该桥支座均采用盆式橡胶支座系列，由于施工原因，于8，9号墩处将纵向活动支座安装成了横向活动支座，导致桥梁的侧向抗滑能力不足，使其余支座产生了横桥向支座顶死的病害，甚至个别支座的盆内橡胶被挤出。

3．2 支座反力计算

支座反力计算的计算参数取值与抗倾覆验算相同，验算荷载为标准值组合。计算结果见表2。

表2 基本组合作用下支座反力结果表 kN

3．3 支座的设置

根据标准值组合作用下各支座反力的计算结果，对该桥支座的布置方式如下：在9号墩处设置固定支座，在其余墩台处设置纵向活动支座；其中，6号墩、11号台支座均采用抗扭支座，支座的抗拉拔力不小于1 000kN。

4 顶升梁体设计

4．1 千斤顶的设置

（1）6～10号墩千斤顶置于设置在墩柱两侧的钢管支撑上。

（2）11号台千斤顶置于桥台帽梁上，两支座的内侧。

4．2 钢管支撑体系

6～10号墩的钢管支撑体系采用直径600 mm×14mm的焊接钢管。其中，6号墩设置于双柱墩墩柱的内侧，每墩上设置4根钢管，钢管间采用型钢连接成整体；7～10号墩设置于独柱墩的两侧，每墩各设置2跟钢管。根据每个桥墩顶升力大小的不同，每个钢管支撑上设置1个或2个千斤顶。千斤顶放置于在钢管顶部的型钢分配梁上，从而将千斤顶的反力均匀传递至钢管。

4．3 顶升过程中箱梁限位装置

该桥南引桥为具有3．8%纵坡的弯桥，在箱梁顶升过程中，由于失去支座对其的横向约束，易产生延桥梁纵向切线方向的滑动，造成桥梁的滑移，这是顶升大纵坡弯桥的一个难点问题。

为了防止在顶升中桥梁可能产生的滑移，必须对桥梁采取限位措施。综合考虑该桥的桥型特点，在顶升该桥箱梁的过程中，须在6、8、9号墩处设置纵向限位装置，在11号台处设置横向限位装置，以保证桥梁结构的安全。

4．3．1 6号墩处纵向限位装置

6号墩处纵向限位装置采用4根4m长40c工字钢组成，工字钢两端分别锚固于6号墩相邻两跨箱梁的腹板上。工字钢一端钻圆形孔，另一端钻圆端形孔；圆形孔的一端与其中一跨采用固定的方式与箱梁腹板连接，圆端形孔的一端在另一跨不与箱梁腹板固定，仅将螺帽套在丝杆上即可。这样，当箱梁顶升时，该装置不会限制箱梁的竖向位移，而仅对纵向位移起到一定的限制作用。

4．3．2 8、9号墩处纵向限位装置

在8、9号墩墩柱及箱梁底板设置纵向限位装置，限制第3联箱梁在顶升过程中可能发生的纵向滑移。纵向限位装置见图2。限位装置采用40c工字钢作为墩柱上的支撑梁，工字钢组成几何不变体系的三角形，固定于墩柱上，并在支撑梁的端部设置钢板制成的牛腿；同时，在梁底对应位置亦设置钢板牛腿。这样，箱梁在顶升后产生的下滑力将通过2个牛腿传递至墩柱上，而本桥墩柱的长细比较小，相对刚度较大，可以抵抗箱梁的下滑力，从而限制了箱梁在顶升后产生纵向位移。该纵向限位装置可以在不影响箱梁竖向移动的情况下限制箱梁的纵向位移。

图2 8、9号墩纵向限位装置构造图

4．3．3 11号台顶升过程中的纵、横向限位措施

在11号台背墙与箱梁之间的缝隙里加垫约6cm厚钢板，并在桥台与箱梁之间设置工字钢横向限位装置，以限制第3联箱梁在顶升过程中可能产生的纵、横向滑移。该限位装置下部横梁锚固于桥台台身上，横梁在桥梁外侧端部设置一根斜撑，斜撑的一端固定于横梁上，另一端抵住箱梁腹板。斜撑和横梁间设置拉杆，使该限位装置形成稳定的三角形。该装置可以在不影响箱梁竖向位移的条件下限制箱梁的纵、横向位移。