独柱墩式连续梁桥抗倾覆分析及加固治理设计

2015-02-19张海伟严伟飞史锦飞

浙江交通职业技术学院学报 2015年1期

张海伟，严伟飞，史锦飞

(1.浙江交通职业技术学院，杭州311112；2.浙江省交通规划设计研究院，杭州310006)

张海伟1，严伟飞2，史锦飞2

(1.浙江交通职业技术学院，杭州311112；2.浙江省交通规划设计研究院，杭州310006)

摘要:为了减少独柱墩式连续梁桥倾覆事故时有发生的现状，以实际工程中典型的匝道桥为背景，通过对该类桥梁进行结构力学分析以及主梁倾覆稳定性分析，研究其结构倾覆的本质特征，并根据验算结果提出了相应的加固处理措施，可供新桥梁的设计以及已有桥梁加固治理设计提供参考。

关键词：独柱墩；倾覆稳定分析；加固治理

0引言

独柱墩式连续梁桥以其外形简洁美观、占用桥下空间小、便于下部结构布局等特点，广泛应用于城市立交桥以及高速公路匝道桥中。但由于独柱墩在横桥向采用单支点支撑，在汽车偏心荷载作用下，独柱墩式连续梁桥结构的横向抗倾覆稳定非常不利。而我国大部分桥梁工设计者比较着重于结构的持久状况承载能力极限状态和正常使用极限状态的验算，而对桥梁的抗倾覆稳定性关注较小。本文以某高速公路匝道桥中典型的独柱墩式连续梁桥为例，研究其结构倾覆的本质特征，并提出了相应的加固处理措施，可供新桥梁的设计以及已有桥梁加固治理设计提供参考。

1倾覆匝道桥的工程概况

该匝道上部结构采用桥跨布置为6×20 m等截面钢筋混凝土连续箱梁桥，桥宽8.0 m，单箱单室结构，箱梁高1.3 m，箱梁底宽4.0 m，平面位于直线内。0#桥台和6#桥墩(双柱墩)采用双支座，中心间距为2.8 m，中间1#～5#墩均为独柱单支座，中墩支座为GYZ650x120，圆墩柱直径为1.2 m，其截面特性如下：

A(m2)I(m4)E(N/m2)主梁3.7450.76633.45×1010

2结构验算及其倾覆破坏特征研究

(1)计算模型及倾覆时验算荷载

鉴于该匝道桥主要研究汽车活荷载在偏载作用下，桥梁倾覆时的支座支反力情况和主梁结构力学分析。本桥采用梁格法中的脊梁模式进行计算，全桥共85个单元，86个节点，具体模型如图1所示。根据某匝道桥发生倾覆时的反馈信息，采用自定义的荷载如下：采用车辆荷载3辆挂车125 t编队作为验算荷载，按照挂车距离外侧护栏边缘1 m进行横向布置，纵向布置间距为5 m，单列布置。

图1　计算模型

在该自定义荷载作用下，在桥台支座脱空后，匝道桥梁板在最不利荷载作用下的瞬间破坏状态力学结果如图2～5所示。在自定义荷载作用下的桥台处主梁梁端转角为0.154 rad，主梁中墩最大支反力为5102.1kN，边墩最大支反力为4634.9kN，由于桥台部分支座脱空后，其结构受力体系发生了明显的变化，主梁边跨中跨处的最大弯矩往1号墩位置移动，弯矩值也瞬间急剧变大为17833kN，此外，主梁在1号墩墩顶处的负弯矩变成了正弯矩，而中墩处的主梁弯矩相应的变小。

图2　自定义荷载作用下的桥台处主梁中心变形结果

图3　自定义荷载作用下的支反力

图4　自定义荷载作用下的桥台主梁弯矩My(kN·m)

根据图示，在自定义荷载作用下，0#桥台和6#墩左侧支座均出现负反力。考虑该支座脱空后，主要计算结果如下：(1)梁端转角为0.154 rad(8.8度)，转角正切值(0.16)大于支座的摩擦系数(中墩为0.2，边墩为0.06)；梁体转角大于《公路桥梁板式橡胶支座》(JT/T 4-93)中允许转角的正切值，支座处于偏压、脱空状态。完全脱空支座处上翘431 mm。(2)多处支座反力超过了其承载能力。(3)部分梁段的弯矩组合值已经超过截面抗弯承载能力。

由力学结果可知，中墩铰接直线独柱支承梁式桥在偏心荷载作用下，随着主梁扭转效应的增加，边支座出现脱空，导致主梁支承体系发生变化，随着荷载的进一步增加，结构转化为机动体系，无法再次达到平衡状态，从而发生倾覆破坏。中墩铰接直线独柱支承梁式桥在整个倾覆过程中主梁旋转轴基本不变，边支座脱空后经过很短的历程即发生整体倾覆破坏。中墩铰接曲线独柱支承梁式桥在偏心荷载作用下，随着主梁扭转效应的增加，边支座首先出现脱空，结构主梁支承体系发生变化；随着荷载的进一步增加，结构旋转轴发生变化，从而形成新的平衡状态，当荷载增量导致不能再次达到平衡状态，或因中墩支座破坏导致结构构件出现强度破坏时，桥梁发生整体倾覆。

为了控制桥台(边墩)处支座脱空，引起结构支撑体系发生变化，采用以下两种方式有效的避免结构破坏极其倾覆：(1)桥面宽度一定时，尽量的增大支承间距，避免边支座脱空，以防主梁结构发生变化(2)支承间距一定时，可通过增加中墩支座个数，以防旋转轴发生变化。

3加固治理设计

基于本桥在自定义荷载作用下存在安全隐患，为了保证结构安全，施工方便可行，应采取有效手段解决独柱结构主梁发生倾覆的安全隐患。结合倾覆破坏特征研究结果，独柱墩式连续梁桥可采用以下两种治理方案设计：(1)在桥台(边墩)处横隔板横桥向两侧拼宽，横桥向两侧增加支座，加大支承间距；(2)在中墩柱处横桥向两侧拼宽，靠近腹板处增设支座，以分担活载偏载作用，确保主梁在极端荷载作用下结构的旋转轴不发生变化，避免发生倾覆。

图5　桥台(边墩)处横隔板横桥向拼宽

图6　中墩柱处横桥向两侧拼宽

根据上述两种方案的任何一种方案，对加固后的结构受力进行分析，在自定义倾覆性验算荷载作用下，桥台(边墩)处支座未出现脱空现状，结构体系未发生变化，梁板结构受力未发生畸变，主梁和支座的承载能力验算均满足规范的要求，主梁不会发生倾覆。

4结语

独柱墩式连续梁桥倾覆破坏为瞬时行为，其破坏程度及其社会影响较大，本文以发生倾覆的超载荷载桥梁为背景，通过对该类桥梁进行结构力学分析，剖析了其梁桥发生倾覆稳定的机理，其具体研究结论如下：

(1)通过瞬间破坏状态下的力学计算表明，桥台支座脱空，引起独柱墩桥梁支撑体系发生变化，引起倾覆，因此桥梁设计者可通过控制桥台(边墩)处支座是否出现负反力作为必要条件，以验证独柱墩桥梁是否会发生倾覆稳定。

(2)独柱墩式连续梁桥在后期维护中可按本文提出的桥台处横隔板拼宽增设支座方案和中墩两侧拼宽增设支座方案进行加固治理设计，力学清晰明了，施工简便可靠。

参考文献：

[1]浙江省交通规划设计研究院.甬金高速公路(宁波段)桥梁加固治理设计[K]，浙江省交通规划设计研究院，2013。

[2]李盼到，张京，王美.独柱支承梁式桥倾覆稳定性验算方法研究[J].世界桥梁，2012 (6)： 52-56.

[3]陈瑶，陈露晔，张建华.独柱墩桥梁抗倾覆稳定验算方法及参数影响分析[J]，浙江交通职业技术学院学报，2013(3):1-6.

Analysis for Overturning Stability of the Beam Bridge

Supported By Single-Column Pier and Reinforcement Design

ZHANG Hai-Wei1,YAN Wei-fei2,SHI Jin-Fei2

(1 Zhejiang Institute of communications,Hangzhou 311112, China;

2 Zhejiang Provincial Plan Design&Research institute of Communications, Hangzhou 310006, China)

Abstract:In order to reduce the risk of the overturning of the beam bridge supported by single-column pier, The structural mechanics analysis and overturning stability of the beam is deduced in this paper, and the overturning stability is studied based on the typical ramp bridge of the practical engineering. provide references for the design of the new bridge and reinforcement design of the old bridge.

Key words:single-column pier; overturning stability;reinforcement design