连续箱梁桥抗倾覆验算和加固设计

■韩 斌

（平潭综合实验区城乡建设与交通运输服务中心，平潭 35000）

在现代桥梁建设中，独柱墩或花瓶墩箱梁桥不仅可以提高空间布局和视野，而且能够对桥梁外观起到美化的作用，曾被广泛运用于城市立交桥以及高速公路互通匝道桥等项目当中。 但近年来，道路交通量日趋增加，以及超限超载重型车辆的违规驾驶，极易使得独柱墩或花瓶墩箱梁桥在运营期间出现梁体扭转及变形、 支座受力不均及脱空等现象，增加桥梁安全隐患，甚至发生倾覆事故[1]。 如2012年8 月24 日，哈尔滨市三环路群立高架桥，从洪湖路上跨匝道桥上发生倾覆事故；2019 年10 月10 日，江苏无锡312 国道高架桥发生桥面侧翻。 桥梁抗倾覆事故无预兆的发生，造成严重的人员伤亡、经济损失[2]。 现阶段对超限超载车辆问题难以完全杜绝，桥梁的倾覆事故时常发生，对桥梁进行抗倾覆验算，排查运营桥梁安全隐患， 探索最优的可行性加固设计方案有着重要意义。 本文以福建省平潭综合实验区东壁村跨线桥为例， 对影响箱梁桥抗倾覆能力的因素进行了验算分析， 根据验算结果深入分析桥梁横向失稳的产生原因并提出相关的设计原则和加固设计方案，为提高桥梁稳定运营提供有效的参考。

1 抗倾覆验算

1.1 工程概况

东壁村跨线桥（北线）为六跨预应力混凝土等截面连续现浇箱梁，跨径布置为[（27+30+20）+（3×22）]m，斜交角度为100°， 桥面净宽15.5 m， 横向布置为0.45 m（护栏）+15.5 m（行车道）+0.45 m（护栏）；桥面铺装为沥青混凝土，设计汽车荷载等级为公路-Ⅰ级。 桥梁上部结构为：主梁采用预应力混凝土鱼腹式箱梁，梁高2.2 m，箱梁顶板宽16.4 m，顶板厚0.23 m， 底板厚0.23～0.5 m， 腹板厚度变化为0.5～0.85 m，如图1 所示。桥梁下部结构为：桥台采用U 型台；桥墩采用花瓶墩，如图2 所示。 该桥墩台均采用双支座，具体支座布置形式，如图3 所示。

图1 桥梁上部结构横断面图

图2 桥墩实景图

图3 支座平面布置图

1.2 计算模型

根据JTG 3362-2018 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，持久状况下，梁桥不应发生结构体系改变，并应同时满足下列规定[3]：（1）在荷载作用下，支座应始终保持受压状态；（2）按作用标准值进行组合时（按规范第7.1.1 条取用），整体式截面简支梁和连续梁的作用效应应符合下式要求：

式（1）中，稳定效应：∑Sbk,i=∑RGkiLi；失稳效应：∑Ssk,i=∑RQkiLi；kqf为抗倾覆稳定性系数，取kqf=2.5；∑Sbk,i为使上部结构稳定的效应设计值；∑Ssk,i为使上部结构失稳的效应设计值。

主梁横桥向抗倾覆稳定性验算采用有限元软件桥梁博士4.2.0 验算，全桥模型如图4 所示，同时应考虑以下作用：（1）二期恒载。 桥面铺装10 cm 沥青+5 cm 防水砼，沥青混凝土容重24 kN/m3，混凝土容重25 kN/m3，单侧护栏9.1 kN/m；（2）汽车荷载等级采用公路-I 级， 双向四车道， 按JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》执行；（3）温度（均匀温度和梯度温度）作用；（4）不均匀沉降，墩台按7.5 mm考虑；（5）汽车冲击系数按JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》第4.3.2 取值。

图4 第一联空间模型

本次桥梁抗倾覆验算的范围与方式：（1）计算只针对可能出现倾覆的桥梁最不利联，对于其他联桥的倾覆情况未考虑；（2）计算基于桥梁的整体健康状况为Ⅱ类及以上，桥梁结构完好、桥面完整，支座竖向支承正常有效， 墩柱等下部结构受力良好；未考虑桥梁已经出现的病害情况；（3）因桥梁倾覆工况出现支座脱空后引起的桥梁主体及附属结构构件的破坏，不在本次计算考虑范围。

1.3 抗倾覆验算结果

通过对东壁村跨线桥（北线）第一联抗倾覆能力进行验算，考虑车道荷载向左侧偏载加载，分析结果表明部分支座出现负反力，最小稳定性系数大于2.5，0-2、1-2、2-2 与3-2 支座均为失效支座，0-1、1-1、2-1、3-1 支座为有效支座。 验算分析结果详见表1。 由表1 可以得出，特征状态Ⅰ验算时，在车道荷载向左侧偏载加载工况作用下，该桥的支座出现负反力， 且3-2 支座的最大负反力为146.1 kN，表明桥梁支座已开始出现脱空，不具备足够的抗倾覆能力，故不满足验算要求。 特征状态Ⅱ验算时，在失效支座对应最不利汽车荷载工况作用下，桥梁抗倾覆稳定系数远大于2.5， 表明该桥不会发生整体倾覆，满足验算要求。

表1 第一联结构抗倾覆验算

综上，本桥在作用基本组合下，支座出现负反力， 在标准组合下， 横桥向抗倾覆稳定性系数大于2.5，桥梁上部抗倾覆验算不满足规范要求。故应采取措施对该桥梁进行结构加固，防止桥梁的倾覆失稳。

2 抗倾覆加固设计

2.1 设计原则

桥梁的抗倾覆加固设计的主要原则应包括：（1）安全第一，经济合理，便于施工，减少对桥梁结构的外观变化；（2）提高桥梁的抗倾覆能力；（3）避免影响道路交通运营；（4）考虑后期养护和支座更换。 根据桥梁现场条件、桥梁的横向稳定性、桥梁的日常运营要求，以及其平面及立面加固条件有局限等因素，拟对该桥桥墩选用设置抗拔约束装置的方案进行加固维修。 抗拔销的加固方式能够在一定程度上及时地对桥梁的上部结构产生拉力，从而防止桥梁的倾覆事故发生[4]。

2.2 设计方案

本次加固主要为了增加东壁村跨线桥的抗倾覆能力。 在东壁村跨线桥第一联进行抗倾覆加固，采用在3 号墩设置抗拔销的形式。 支座抗拔销安装位置在3 号桥墩正立面支座对应处，本抗拔销可提供250 kN 抗拔力，如图5 所示。 抗拔销主要材料采用Q345C 结构钢，耳板采用20 mm 厚钢板，链杆采用40 mm 厚钢板，端部开销孔直径为70 mm，加强端部钢板采用10 mm 厚钢板。 耳板加劲肋采用12 mm 厚钢板。 底座采用30 mm 厚钢板。 耳板与底座的焊接采用坡口全熔透焊接，加劲板与耳板及底板的焊接采用双面角焊缝。 锚栓有效锚固深度35 cm，锚栓施工期需探明主梁钢束位置，以避开主梁纵向及横向钢束波纹管及锚头。 桥墩装饰槽内浇筑微膨胀混凝土前需对原混凝土表面进行凿毛处理。 混凝土达到强度的85%后再进行钻孔植入锚栓。

图5 抗拔销立面布置图

3 结语

通过对东壁村跨线桥第一联进行抗倾覆验算分析， 并根据计算结果进行桥梁倾覆的原因分析，进而提出抗倾覆加固设计方案， 得出以下结论：（1）本次计算基于桥梁结构完好，桥面完整，支座竖向正常有效支承，墩柱结构受力良好。 第一联在作用基本组合下，支座出现负反力，特征状态Ⅰ验算不满足规范要求；在标准组合下，横桥向抗倾覆稳定性系数大于2.5，特征状态Ⅱ验算满足规范要求。综上， 桥梁第一联上部抗倾覆验算不满足规范要求。 （2）《公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范》自2018 年11 月1 日起施行，新规范对箱梁上部结构抗倾覆作出了更加明确的规定。 本桥第一联由于箱梁较宽、支座间距小且边中跨比例小，导致边支点恒载过小，故桥梁上部抗倾覆验算不满足现有规范要求。 （3）从力学分析的角度上看，加固设计采用抗拔销的形式，为其提供250 kN 抗拔力，可有效防止出现支座脱空现象。 从设计的角度节约了加固的工程造价，且施工方便，推广的可行性较高。 （4）建议道路养护部门加强桥梁日常养护、检查、加固维修以及技术档案管理， 保障桥梁养护工作， 建立“建、管、养”三位一体制度，尽早对独柱墩或支座间距较小的桥梁进行排查和模型计算分析，及时进行相应的加固维修，确保运营桥梁的结构安全，使得现有桥梁更好地为社会经济发展服务。 （5）结合我国超限超载车辆现状，前期工程设计中建议加强桥梁抗倾覆验算， 适当提高桥梁结构的抗倾覆能力，增加结构的安全储备，提升道路桥梁安全稳定性。