独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆加固方案对比

魏剑峰

摘要：独柱墩连续箱梁桥具有结构简单，外形美观，占地面积小，施工难度较小等优点，在交通工程得到了广泛的应用。但独柱墩桥梁因其独特的受力特点导致横向抗倾覆能力不足，独柱墩桥梁倾覆事故也时有发生。对于独柱墩的加固增加其横向抗倾覆能力，加固方式有很多，比如增加盖梁，增设支撑柱，桥台支座外移等方法。本文将根据不同加固方法的加固效果进行独柱墩加固方案比选

Abstract： Continuous box girder bridge with single column pier has many advantages， such as simple structure， beautiful appearance， small floor space and less construction difficulty. It has been widely used in traffic engineering. However， due to the unique stress characteristics of the single pier bridge， the transverse anti-overturning ability is insufficient， single pier bridge overturning accident also occurs frequently. There are many strengthening methods for the single column pier to increase the transverse anti-overturning ability， such as increasing the number of support beam and column， moving support abutment outside. In this paper， single column pier reinforcement scheme is selected according to the reinforcement effect of different reinforcement methods.

关键词：独柱墩；连续箱梁；横向抗倾覆；加固

Key words： single column pier；continuous box girder；transverse anti-overturning；reinforcement

中图分类号：U445.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）04-0123-02

0 引言

独柱墩连续桥梁具有外形美观，节省桥下空间等一系列优点，在公路工程和市政工程中有着广泛的应用。但由于在独柱墩常布置一个支座，采用单支点支撑的方式对其横向抗倾覆能力不利。在桥梁建成后期运营的过程中，独柱墩桥梁倾覆事故时有发生，并且开始重视独柱墩桥梁横向抗倾覆能力。对于建成的既有桥梁，通过横向抗倾覆验算，不满足的独柱墩桥梁需要加固。加固采用的方法为增加盖梁，增设支撑柱，桥台支座外移。下面将对一座未通过验算的独柱墩连续箱梁桥采用增加盖梁，增设支撑柱，端支座外移的方法，建立有限元模型进行计算，分别对比三种加固方式计算结果，分析比较三种不同加固方式的加固效果。

1 桥梁概况及计算参数

桥梁跨径组合：13+21+21+13（m）；结构形式：预应力混凝土结构；平面布置：直线；墩柱布置：0#、4#桥台设置两个板式橡胶支座，0#台支座间距4.24m，4#台支座间距4.62m；中间1#～3#墩为独柱墩，采用板式橡胶支座，2#墩为固结墩，柱中心与箱梁中心重合；墩柱采用C30混凝土；桥面宽度：11m；施工方法：满堂支架法施工；材料参数：箱梁梁体采用C40混凝土。

计算荷载：

1.1 恒荷載 恒荷载包括结构自重和二期恒载。混凝土自重按25.5kN/m3计，二期恒载由桥面铺装和防撞墙组成，桥面铺装按18.63kN/m、单侧防撞墙按8.313kN/m计。

1.2 活荷载 设计荷载等级为：公路一级，按《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）取值；汽车荷载冲击系数按规范《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）计算。

1.3 混凝土收缩徐变 混凝土收缩应变和徐变系数按相应规范由程序自动计算。

1.4 温度作用 常年温差按±20℃考虑。桥面为混凝土铺装，箱梁升温温差T1=25℃、T2=6.7℃，降温效应为升温效应的0.5倍。

1.5 基础沉降 计算按沉降5mm取值。

1.6 验算组合工况 验算活载组合工况一：根据《公路工程技术标准》（JTG B01-2014），基本组合下按各桥桥面宽度进行横向车道布置，计算车道横向、纵向折减系数和冲击系数；验算活载组合工况二：最外侧车道汽车荷载效应（含汽车冲击力）分析系数采用3.4，其余同组合工况一。

2 计算要点

2.1 单向受压支座脱空验算

在作用基本组合荷载组合下，单向受压支座始终保持受压状态；当汽车荷载分项系数为3.4时，单向受压支座宜保持受压状态。主要计算要点如下：①对结构按设计进行最不利车道布载，考察在作用基本组合下（汽车荷载效应分项系数1.4）支座是否出现负反力，从而判断单向受压支座是否保持受压状态；②对结构进行最不利单车道布载，考察在作用基本组合下、汽车荷载效应分项系数为3.4时支座是否出现负反力，从而判断单向受压支座是否保持受压状态。

2.2 上部结构横向抗倾覆稳定性验算

当箱梁桥整联只采用单向受压支座支承时，应满足

∑Sbk，i/∑Ssk，i？叟kqf

式中：kqf—横向倾覆安全系数，取kqf=5；∑Sbk，i—使上部结构稳定的作用标准组合的效应设计值；∑Ssk，i—使上部结构失稳的作用标准组合的效应设计值。

2.2.1 倾覆轴线

根据规范JTG D62-20XX（总校稿），横向抗倾覆验算倾覆轴线按如下方法确定：①对于正交桥梁、斜交角30°以内的斜交桥梁，倾覆轴线为位于桥梁中心线同侧的联端支座连线；②对于曲线梁桥，当全部联中支座位于联端外侧支座连线内侧时，倾覆轴线为联端外侧支座连线；当全部联中支座位于联端外侧支座连线外侧时，倾覆轴线取为跨中支座连线，或联端外侧支座与联中支座连线。

2.2.2 使上部结构稳定的作用

使上部结构稳定的作用按下式计算：∑Sbk，i=∑RGixi

式中： RGi—成桥状态时各支座的反力；xi—各支座到倾覆轴线的垂直距离。

2.2.3 使上部结构失稳的作用

对于正交桥梁，使上部结构失稳的作用按下式计算：

∑Ssk，i=（1+μ）（qkl+Pk）e

式中：μ—汽车荷载冲击系数；Pk—汽车车道荷载的集中荷载标准值；qk—汽车车道荷载的均布荷载标准值；e—横向最不利车道位置到倾覆轴线的垂直距离。

对于曲线梁桥，使上部结构失稳的作用按下式计算：

∑Ssk，i=（1+μ）（qkΩ+Pke）

式中：Ω—倾覆轴线与车道荷载中心线围成的面积。

2.3 独柱中墩支座转角验算

在作用基本荷载组合下，汽车荷载分项系数为3.4时，独柱中墩支座转角应小于0.02rad。

对结构进行最不利单车道布载，考察在作用基本组合下、汽车荷载效应分项系数为3.4时支座是否出现负反力，若出现负反力，应首先解除相应支座，再判断独柱中墩的支座转角值是否超限。

3 计算结果

3.1 加固前状况

采用midas civil建立有限元模型，全桥共143个单元，支座采用一般点弹性支承模拟，有限元建模情况见图1。

小结：在未加固的情况下，桥梁一侧支座出现负反力，不满足横向抗倾覆相关规定的要求。

3.2 增加盖梁

采用增加盖梁的方法对独柱墩桥梁进行加固。

小结：由表2可见，本联箱梁对独柱墩进行盖梁加固后，基本组合下端支座仍出现负反力，汽车荷载效应分项系数为3.4时仍存在负反力，且独柱中墩转角满足要求，加固效果不明显。

3.3 增设支撑柱

采用增设支撑柱的方法对独柱墩桥梁进行加固。

小结：由表3可见，本联箱梁采用增设支撑柱方法加固后，基本组合下和汽车荷载效应分项系数为3.4下端支座均未出现负反力，且独柱中墩轉角满足要求，加固效果与增加盖梁方法相比较好。

3.4 端支座外移

采用端支座外移的方法对独柱墩桥梁进行加固。

小结：由表4可见，本联箱梁将桥台梁端支座外移后，在基本组合下仍存在负反力，加固方案效果较差。

4 结论

对比三种加固方法，其中增设支撑柱加固效果最为明显，端支座外移加固效果最差，增加盖梁方法效果居中。在经济效益方面，增设支撑柱加固方法造价最高，且施工过程中对周边环境已经交通影响较大，增加盖梁和端支座外移加固方法造价较低，且施工过程对交通影响不大。从上面计算结果可知，采用增设支撑柱的加固方法可以基本满足独柱墩抗倾覆验算的要求，但是在汽车荷载效应分项系数为3.4下，支座仍然存在脱空现象。所以本桥采用增设支撑墩加固后，在日后的养护运营管理的过程中，要严格防止各类汽车的严重超载过桥现象的发生。

参考文献：

[1]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].中华人民共和国交通部，2004.

[2]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].中华人民共和国交通部，2004.

[3]陈新，赖增成，王标才.独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆加固技术[J].公路交通科技（应用技术版），2016（06）.