独柱墩连续箱梁桥抗倾覆验算及加固设计

2021-06-08魏吉明

运输经理世界 2021年22期

魏吉明

（青海省育才公路勘察设计有限公司，青海西宁 810003）

0 引言

随着城市化进程的不断发展，高架与立交成为我国基础建设的重要组成部分，并起着疏导车流、缓解交通的作用，能够有效提升运输效率。实践表明，独柱墩桥梁兼具外观优美、形式简单、资源占用少等优点，在实际工程中具有广阔的应用范围[1]。

一般而言，独柱墩桥梁会在桥台及过渡区域采用双支座的设计，而对跨中位置则采用单支承设计。因此，偏心或超载等的作用下，单支承的独柱墩桥梁很容易出现支反力分布不均的问题，严重的还会导致支座脱空。当支座出现脱空现象时，原有的支承体系会随之发生改变，并受到偏心荷载的长期作用而不断劣化，促进脱空程度的持续增大，失去原有平衡[2]。近些年，我国独柱墩桥梁安全事故不断增多，其中横向倾覆问题越来越突出，威胁着社会安全。

以某桥梁工程为例展开分析，该项目采用3×25m的连续箱梁桥设计，在运营期间有四辆超载大货车同时违规停靠，导致桥梁受到过大的偏心荷载作用发生倾覆事故。针对这一事故展开了调研与分析，研讨了桥梁的抗倾覆能力。

1 抗倾覆稳定性验算

通过对倾覆失稳事故处理经验进行分析，总结出其普遍存在的影响因素为：多辆超载汽车同时在桥梁上行驶；桥梁上部结构采用整体式的连续箱梁设计；桥梁下部结构涉及独柱墩的设计，且其中多数柱墩仅采用单支承；虽然采用了多支承设计，但支承间距控制得较小；我国现行规范对于极端作用下的结构稳定性缺乏详细的条文规定。为了尽可能避免这一类问题的发生，需要加强对独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性验算，并以此为基础进行相应的加固处理[3]。

由于导致独柱墩桥梁倾覆失稳的主要作用类型为罕见的极端荷载，采用常用的极限状态分析法进行验算难以达到预期要求，所以在完善验算方案时应当以工程实践为基础，将其与规范标准进行比对，最后发现汽车荷载的分项系数取为3.4 比较合理。此外，针对单支承条件下连续箱梁发生扭转的作用机理展开进一步研究，完善了上部结构为整体式连续式箱梁、下部结构为独柱墩的桥梁抗倾覆稳定性评价方法。

对于外界作用的基本组合，支座不发生脱空现象；在汽车荷载的分项系数取为3.4 时，支座也不宜发生脱空现象。这一验算的主要目的在于：对中间桥墩为单支承设计的连续箱梁桥，在外界偏心作用下，主梁的扭转效应也随之提升，导致支座边缘会出现脱空，使得桥梁结构整体的受力体系发生变化。此时，若外部作用持续增加，则结构将逐步转变为机构，失去原有的静止平衡状态，向着运动状态持续发展，进而导致倾覆事故发生。为了确保原有结构受力体系不发生变化，避免桥梁向着失稳的方向发展，就需要控制支座不产生脱空现象。而当汽车荷载的分项系数取为3.4 时，支座也不宜发生脱空，但由于这一要求比较严格，因此不作为硬性标准进行验算。

对于外界作用的基本组合以及汽车荷载的分项系数取为3.4 时，箱梁扭转角均不大于0.02rad。这个验算要求主要是由于当中间独柱墩采用单支承设计时，在外界偏心作用下，倾覆破坏的形态大致表现为几何、材料以及接触非线性特征，同时中间与两侧的桥墩内会产生方向相反的水平力，其计算过程比较复杂。为了降低验算工作量，在外界作用的基本组合以及汽车荷载的分项系数取为3.4 时，限制箱梁扭转角在0.02rad 以内。这一验算标准也能够确保支座处于正常工作的范围内。

对于仅采用单向受压支座支承设计的桥梁而言，可按照下式（1）进行验算：

式（1）中：kqf为横向抗倾覆安全系数，式（1）中取为5；Sbk,i及Ssk,i分别为使上部结构保持、失去稳定时的作用效应标准组合设计值。

这一验算的提出主要是：在计算假定下，上、下结构各自的刚度均被简化为了无穷大，因此在偏心作用下上部结构主要表现为绕外侧支承的刚体转动。由此所导致的破坏为突发的脆性破坏，在破坏前不会出现明显的变形，所以在验算时需要考虑较高的安全裕度，在本验算中将安全系数选为1.5。同时，考虑到汽车荷载的分项系数取为3.4，因此横向抗倾覆安全系数kqf最终取为5。不同于第二项验算内容，这一验算主要以出现转动后难以停止的结构为对象，而第二项验算内容则主要考虑支承体系的变化，在变化后结构往往能够达到新的平衡。

2 独柱墩连续箱梁桥的加固设计

若上述验算不符合要求，还应对桥梁结构进行加固，根据工程实际情况选用相应的技术手段，保障加固作业具有足够的可靠性，并将施工难度控制在可接受的范围内[4]。目前常用加固措施可归为以下四类：

2.1 增设抗扭拉杆装置

在主梁与桥墩或桥台的连接处附加抗扭拉杆装置，使得主梁的扭转受到约束，尽可能避免支座脱空导致的扭转位移持续发展，进而降低倾覆失稳的风险，其构造如图1所示。

优点：增设的扭拉杆装置能够在不改变原有结构受力体系的基础上发挥作用；装置施工简单、便捷，且工作量比较小；施工对于桥梁正常的交通运输不产生影响。

缺点：装置设置后需要借助后锚固的方式进行连接，这也将导致其强度受限，只能被用于支座脱空负反力比较小的工程中；对于无盖梁的桥墩，一般还需要增设盖梁。

2.2 增设支座、盖梁

对原设计中采用单支承的桥梁增设盖梁、支座，使其转变为多支承桥墩，进而起到优化支承体系的作用，改善主梁的抗扭转能力，降低横向倾覆发生的风险，其构造图如图2所示。

优点：通过增设盖梁的方法将桥墩从单支承改为多支承，能够显著增强主梁抗扭转的能力；施工规模较小，能够根据项目实际情况灵活调整，降低对原有结构的扰动；可对多个中间桥墩同时处理。

缺点：加固后桥墩所受横向力较原结构更大，需要验算判断结构稳定性；加固效果受到结构刚度等的限制比较大；对于桥下净空有要求，施工前需要反复核验施工条件；施工涉及扎筋、浇筑等工序，比较复杂。

2.3 改造桥墩结构

受到增设支座、盖梁加固的局限性影响，可对桥墩结构进行改造，使其横向支承由原有的单支承变为多支承，以此达到改进约束条件的效果。在施工时，可以根据项目实际条件适当加大桥墩尺寸，也可增加桥墩墩柱数量。

优点：能够显著改善主梁抗扭转的能力，防止横向倾覆的发生，且一般仅对中间一个桥墩处理，即可满足要求；加固处理后结构的安全性具有可靠保障。

缺点：需要从桥墩整体出发进行加固，工作量与施工难度比较高；加固后需要对横隔梁进行验算，以防其发生失稳；加固可能导致桥下净空减小，需要实地调研分析；一般需要新增桩基，因此对施工条件要求比较高；施工过程可能对结构产生影响，导致原有结构力学性能下降。

2.4 增加支座间距

边侧位置的桥墩一般采用双支承设计，若双支承间距控制在较小的水平，则其对主梁的约束作用往往比较有限，甚至可能导致支座受拉。所以，可以适当增大支座间的距离，改善结构抗扭转的能力。

优点：该加固方法对宽幅箱梁桥有着显著的效果；加固作业较简单，能够节省资源。

缺点：主梁的端横一般需做接长处理，受到预应力筋施工的限制，植筋作业难度较为突出，这也导致加固效果缺乏保障；在增设支承点后需要对结构进行验算，如有必要还应进行二次加固；加固后需对横梁进行验算。

2.5 特殊处理方案

除了上述四类常见加固方法外，在具体工程中技术人员还可根据实际情况灵活选用特殊处理方法。例如：对于左、右两幅均采用独柱墩连续箱梁设计的桥梁，若其上部结构跨径与梁长一致，可以考虑在两幅横梁之间加设连系梁，以此形成整体受力结构，降低横向倾覆的风险。

但值得注意的是，在增设连系梁后需要对梁进行验算，对于较为复杂的结构可借助有限元软件辅助分析。连系梁的设计与施工一般难度较大，在浇筑混凝土时需要做好临时支撑，避免由于结构变形带来的混凝土质量不可控问题。

3 抗倾覆加固设计的要点

在正式开始加固设计之前，首先需要对桥梁的原设计方案、竣备资料、检测数据等有全面的认识，来评价桥梁的状态。此外，还需对工程进行实地勘测，明确桥梁净高等基本数据，以此判断加固处理的技术条件，初步筛除可行性较低的方案。随后，即可对各方案进行有限元分析，验算其力学性能。另外，施工段划分、预应力效应对于支座反力的分布往往起着决定性作用，因此需要重点考虑。对于具体的加固项目，往往可以提出多种备选方案，在比选不同方案时应当按照以下原则进行评价。

适用性：加固方案的确定应当考虑到建设环境与施工条件的限制，将施工的可行性控制在可接受的范围内，并尽可能减少对正常交通的影响。一般而言，上述四种主要加固方案的开展难度从大到小依次为：方案三、方案二、方案四、方案一。同时，需要对不同方案各自的适用范围形成较为清晰的认识，比如：方案一主要用于拉杆力不大于50t 的工程；方案二需要墩柱的压弯能力符合基本要求；方案三的适用面虽然比较广，但对于处于河道中的桥墩往往难以应用；方案四的加固效果比较有限，仅适用于倾覆风险较低的工程。

经济性：研究表明，上述四种主要加固方案的成本由高到低依次为：方案三、方案二、方案四、方案一，在具体工程中可通过组合使用多种方法达到优化经济效益的效果。

可靠性：加固施工的工艺及材料选择对于加固作业的最终效果有着显著影响。方案一对于施工技术的要求更高，因此其加固效果往往难以得到有效保障。此外，不同方案之间的加固潜力也存在一定差异，其中方案三的承载能力潜力最大，其对主梁抗扭转能力的改善效果也最为突出。

景观性：对景观性有较高要求的路段，还应将景观指标纳入方案比选所考虑的因素内，比如：在对墩柱进行加强时，一般采用整体板式构造。

在借助新增盖梁对原结构进行加固时，应当考虑到新老混凝土交界面的收缩作用，因此可使用补偿收缩混凝土开展施工，同时也可附加纤维网来防止开裂。对于新增横桥向支座的加固方案，在安装时可不开展主梁顶升，而仅将梁底与支座相接触并顶紧，以此来减小新增支座对原有主梁受力的干扰。在这样的施工方案下，新增支座就只会承担偏心荷载作用产生的内力，因此可以降低支座对原有结构受力体系的改变。值得注意的是，在养护时若需要更换支座，那么应当合理设计工序搭接，保证各支座保持原有的力学状态；若需在原有桩基附近增设桩基，那么就要对地质条件进行全面勘测，降低施工过程对原有结构的影响，且桩基成孔一般可采取回旋钻的方式。