基于新规范的独柱墩曲线连续梁桥抗倾覆验算和加固设计

郑亮亮 吴志隆

作者简介：

郑亮亮（1989—），工程师，硕士，主要从事桥梁检测及加固设计工作;

吴志隆（1988—），工程师，硕士，主要从事桥梁检测及加固设计工作。

文章以广西某高速公路互通立交匝道桥梁抗倾覆加固设计项目为依托，按照新规范对该桥加固前后的抗倾覆稳定性系数进行验算。计算结果表明，在该桥独柱墩上增设辅助支座的加固措施对于提升桥梁整体抗倾覆能力的效果较为明显。通过从安全、经济、美观等方面比选抗倾覆加固设计方案，最终确定薄壁花瓶墩支撑法作为实施方案，可为类似在役独柱墩曲线连续梁桥的抗倾覆验算和加固设计提供借鉴和参考。

桥梁;独柱墩;抗倾覆验算;加固设计

U442.5A421474

0 引言

独柱墩曲线连续梁桥具有结构简单、造价经济、对桥下空间要求低等特点，一直以来在高速公路匝道桥中得到广泛应用[1]。但近年由于运输车辆超载严重引起独柱墩桥梁整体性侧翻倾覆的重大交通安全事故屡见不鲜，不仅造成了人员生命安全和财产的重大损失，还带来了负面的社会影响，一时间独柱墩桥梁安全问题成为讨论的焦点。

本文依托广西区内某高速公路互通立交匝道桥梁抗倾覆加固设计项目，根据交通部颁布实施的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）[2]（以下简称《新规范》），采用结构整体静力有限元分析的方法，通过模拟在该桥独柱墩上增设辅助支座，对其加固前后的抗倾覆稳定性系数进行计算比较，验证加固措施对桥梁整体抗倾覆能力的改善情况，并从安全、经济、美观等方面对抗倾覆加固设计方案进行比选确定，可为类似桥梁的抗倾覆验算和加固设计提供借鉴和参考。

1 工程简介

该桥为广西某高速公路枢纽互通内C匝道跨越另一条高速公路及B匝道而设的跨线桥，跨径组合为（27+35+27） m，桥梁全长75.5 m。上部结构采用预应力混凝土连续箱梁，1#、2#桥墩采用柱式墩台，桩基础。桥台、桥墩采用GPZ（Ⅱ）型盆式橡胶支座。0#、3#桥台采用GQF-E60伸缩缝。该桥平面位于左偏缓和曲线上，纵断面纵坡为-3.98%，墩台等角度布置。荷载等级为公路-Ⅰ级，桥面净宽为1×11 m。详见下页图1～3。

2 抗倾覆验算

2.1 抗倾覆验算原则

在《新规范》第4.1.10条中对结构体系采用整体式箱形截面连续梁桥的倾覆破坏全过程明确了两个逐渐递进的特征状态：桥梁的某一单向受压支座开始脱空失效即为特征状态1;桥梁失去所有抗扭变形约束并处于受力平衡极限状态时即为特征状态2。对于特征状态2，采用与挡土墙、刚性基础类似的横向倾覆验算模型，按照式（1）计算抗倾覆稳定性系数。

∑sbk，i∑ssk，i≥kqf（1）

式中：kqf ——横向抗倾覆稳定性系数，取kqf=2.5;

∑Sbk，i——使上部结构稳定的效应设计值;

∑Ssk，i——使上部结构失稳的效应设计值。

2.2 结构分析计算及参数的选取

该桥按照式（1）计算抗倾覆稳定性系数为1.51，小于规定的2.5，不满足《新规范》要求。为此考虑在1#、2#桥墩处增设内外支座以提高该桥抗倾覆能力。为了解增设支座后箱体的抗倾覆稳定性系数，采用Midas Civil软件建立该桥上部结构有限元模型，进行结构整体静力计算分析。各结构杆件采用梁单元模拟，边界条件按实际情况采用弹性连接模拟，共建立118个节点、97个梁單元（见图4）。根据桥梁施工流程划分结构计算阶段，验算结构在车道荷载内偏、车道荷载外偏作用下抗倾覆稳定性系数是否符合规范要求。

计算参数：混凝土容重为26 kN/m3，二期恒载包括桥面铺装（42.9 kN/m）和防撞护栏（单边为9.1 kN/m），汽车荷载采用公路-Ⅰ级。

2.3 抗倾覆验算结果

模拟该桥在1#、2#桥墩处增设内外支座后，桥梁结构分别在车道荷载内偏和车道荷载外偏作用下抗倾覆验算结果如表1和表2所示。

3 抗倾覆加固设计方案

本着工程措施方案行之有效、工程造价经济实用的原则，根据相应的技术标准，对该桥进行抗倾覆加固设计，设计方案如下。

3.1 方案一：三柱式支撑法

由图5可知，在1#、2#独柱墩与桥轴线垂直的方向左右侧增设混凝土墩柱，在墩柱上增设辅助支座，箱梁在该处由原来的单支座变为三支座，增设的辅助支座在恒载作用下不受力，原墩顶支座为主要受力支座。当车辆在最不利位置导致箱梁发生扭转变形时，由新增墩柱上的支座提供一定的反力，在保证桥墩安全的前提下提高箱梁抗倾覆能力。

3.2 方案二：薄壁花瓶墩支撑法

由图6可知，在1#、2#独柱墩周边外包混凝土形成薄壁花瓶墩，在花瓶墩上增设辅助支座，箱梁在该处由原来的单支座变为三支座，增设的辅助支座在恒载作用下不受力，原墩顶支座为主要受力支座。当车辆在最不利位置导致箱梁发生扭转变形时，由新增花瓶墩上的支座提供一定的反力，在保证桥墩安全的前提下提高箱梁抗倾覆能力。

3.3 设计方案比选

由表3可知，两个抗倾覆加固设计方案均能满足现行《新规范》抗倾覆要求。薄壁花瓶墩支撑法方案具有外形美观、施工较便利、经济性较好、无须后期维护，同时抗倾覆稳定性系数大等特点，故推荐为实施方案。

4 结语

通过对广西某高速公路互通立交匝道桥梁进行抗倾覆验算和加固设计，可以得出以下几点结论：

（1）按照《新规范》对该桥进行抗倾覆验算，发现其抗倾覆稳定性系数不满足要求，需进行抗倾覆加固设计。

（2）通过模拟在该桥独柱墩上增设辅助支座，并采用结构整体静力有限元分析的方法确定加固后该桥的抗倾覆稳定性系数。计算结果表明，该加固措施对于提升桥梁整体抗倾覆能力的效果较为明显。

（3）从安全、经济、美观等方面对抗倾覆加固设计方案进行比选，最终确定薄壁花瓶墩支撑法作为实施方案，可为类似在役独柱墩曲线连续梁桥的抗倾覆验算和加固设计提供借鉴和参考。

[1]梁 峰.三跨独柱连续梁桥抗倾覆能力研究[J].公路，2009，10（10）：40-43.

[2]JTG 3362-2018 ，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].