公路桥梁抗倾覆验算及加固改造设计研究

罗帅

（商洛市交通设计院，陕西 商洛 726000）

0 引言

公路桥梁因受到偏心荷载的影响，若桥梁结构自身抗扭刚度不强，则发生剪扭破坏的可能性较大。在横载和偏心荷载等的影响下，部分梁体支点会表现出脱空现象，甚至引发桥梁结构坍塌。独柱墩桥梁自身就是偏心受压构件，在墩身过细及墩高过高情况下，立柱偏心受压必定会引发结构破坏[1]。

1 工程概况

某公路独柱墩桥梁单孔跨径25m，全长95m，就平面结构而言，该桥梁横跨JD88缓和曲线和圆曲线，桥梁上部结构为3m×25m现浇钢筋混凝土连续箱梁，桥台为U型设计，下部结构为独柱墩及扩大基础，见图1。桥梁横跨某公路，考虑到该公路段车流量大，且大都为重型车，结合独柱墩桥梁处置专家的意见，必须对桥梁展开抗倾覆验算和加固处理，使桥梁荷载等级从公路Ⅱ级提升至公路Ⅰ级。

2 抗倾覆分析

2.1 有限元模型构建

该独柱墩桥梁结构属于非预应力箱梁结构，必须分析其实际在运行过程中的受力特征。应用MIDAS/Civil桥梁结构空间有限元分析软件进行桥梁抗倾覆验算[2]，有限元模型见图2。为获得最不利于支座的活荷载加载位置，还结合使用了移动荷载追踪器。在求解支座1反力时，应在支座3凹侧边加载，并按照桥跨设计使加载位置荷载均布；在求解支座6反力时，也应同样在桥跨处布置均布荷载，并使荷载在支座5对应的外边缘集中；在求解支座8反力时，均布荷载，并在支座5外边缘布置集中荷载，见图3。

2.2 支座最不利反力

进行独柱墩桥梁抗倾覆验算时，必须考虑到桥梁结构的对称性及荷载工况，且只进行支座1和支座3最不利工况分析。这两个支座最不利工况下凸侧加载反力结果为：支座1最不利工况下，支座1～8加载反力分别为585.3MPa、856.7MPa、1568.6MPa、6839.5MPa、7389.4MPa、534.5MPa、615.6MPa、2333.1MPa；支座3最不利工况下，支座1～8加载反力分别为2313.5MPa、866.8MPa、-270.4MPa、6852.1MPa、7438.7MPa、2645.1MPa、617.6MPa、163.4MPa。从比较结果可知，支座1最不利工况下，全部支座加载反力均为正值，不存在支座脱空的可能。支座3最不利工况下，仅支座3加载反力为负值，其余支座均为正值，说明仅支座3存在脱空。考虑到独柱墩桥梁属于对称结构，故支座1和支座6、支座3和支座8情况相同。此外在平面曲率的影响下，曲线梁梁体凸侧边弧长比凹侧边弧长，所以梁体界面形心轴并不与其重心重合，重心主要位于其形心轴外侧。

支座3在重心轴和行车荷载的共同作用下出现扭矩作用而脱空，导致支座4和支座5左右侧分别发生9.85MPa和10.35MPa的剪应力，产生横向扭转效应，引发脱空，外侧支座同时表现出较大剪切变形，独柱墩桥梁整体结构均出现侧向偏转的可能。

2.3 抗倾覆验算

该独柱墩桥梁抗倾覆分析主要根据抗倾覆理论，在进行曲线梁抗倾覆安全系数计算时，必须全面分析设计行车荷载、结构延性破坏及倾覆延迟、实际行车荷载等因素，将独柱墩桥梁结构抗倾覆系数保持在2.45以内。箱梁桥倾覆中桥台侧支座很容易发生脱空现象，倾覆发生后整个桥体受力结构迅速改变，此时若能保证标准值组合，则不会发生支座脱空。

独柱墩曲线梁倾覆事故的出现，表明桥梁横向抗倾覆稳定性不良，对桥梁模态分析，该桥梁第1～4结构振型所对应的自振频率分别为4.167Hz、5.124Hz、6.396Hz、8.098Hz。其中，第1振型为基本振型，主要表现为扭转变形，其余振型表现为局部扭转变形，桥梁扭转刚度较小，独柱墩曲线梁抗倾覆能力较弱。因此，桥梁在运营过程中发生翻转的可能性较大，必须进行相应的加固设计。

3 加固设计

将钢结构支撑增设在独柱墩曲线梁桥原独柱墩上，并分别在1#桥墩和2#桥墩两侧加设两个支座，承担汽车偏载不良影响的同时抵抗横向倾覆扭矩，如此一来，原由上部结构箱梁所承担的扭矩，直接改由下部结构桥墩和箱梁共同承担，行车偏载引起的桥梁扭转效应明显减弱[3]，桥梁结构抗扭承载力显著提升。加固方案实施后的支座平面布置情况详见图4。

此外，加固桥墩结构上部钢结构支撑顶面与桥墩上表面相距20.5cm处，以便为施工提供便利条件。具体而言，通过抱箍加固形式连接墩柱和钢结构支架，并将钢结构支架外缘和墩柱外缘距离控制在1.50m；通过高强螺栓+焊接的方式连接钢结构支架。桥跨加固方案见图5。

3.1 桥梁加固计算

为提升独柱墩桥梁结构的抗倾覆能力，通过施加公路Ⅰ级荷载，计算新增支座反力。因行车偏载行驶会加剧独柱墩桥梁倾覆和扭转程度，故而对于已经出现扭转变形的桥梁必须新增受力支座。应用MIDAS/Civil桥梁结构空间有限元分析软件进行新增支座反力计算，在计算最不利支座9反力时，应在支座1凸侧进行桥跨满布均布荷载加载，同时在支座4外边缘加载集中荷载；在计算最不利支座11反力时，应在支座5外缘加载集中荷载，并向桥跨加载满布均布荷载；在计算最不利支座10和12反力时，均按照桥跨满布均布荷载，分别向支座4和5外缘施加集中荷载。考虑到独柱墩曲线梁结构的对称性，仅分析最不利支座11和支座12反力情况，结果见表1。

表1 最不利支座11和支座12反力情况（单位：MPa）

独柱墩曲线梁采用钢结构加固形式，下部增设抱箍形圆柱支撑结构，为应对较大荷载，还在两侧增设钢管支撑。通过计算钢管受力，选择并验算截面，保证结构受力的合理性。

3.2 加固后抗倾覆能力分析

应用MIDAS/Civil桥梁结构空间有限元分析软件，进行该独柱墩桥梁结构在公路Ⅰ级荷载工况下加固后支座反力分析。根据有限元分析结果，桥梁加固后公路Ⅰ级验算支座中并未表现出脱空问题。通过比较加固前后桥梁上部结构频率、振型发现，加固后频率增大，桥梁刚度提升；加固前每种振型均存在或多或少的扭转，且第一振型扭转最为明显，而加固后前四阶振型中不存在扭转现象，局部扭转仅发生在第五阶振型，整体加固图见图6。可见，该桥梁工程所采取的加固方案合理可行，独柱墩曲线梁抗扭承载力得到相应提升。

4 结语

独柱墩桥梁占地少、空间大、桥形优美，在桥梁工程中的应用十分广泛，但是在运行过程中容易因超负荷引发倾覆失稳事故。在原独柱墩结构上增加钢结构支撑并加设支座的方式能有效解决桥梁结构倾覆失稳问题。该桥梁行车荷载达到公路Ⅰ级荷载工况组合时，所有支座均不存在倾覆脱空。该桥梁加固改造实践可作为类似独柱墩曲线梁结构加固的借鉴参考。