考虑单双支座的公路桥梁抗倾覆设计与加固改造措施研究

2021-07-31农尚武蒋美军

西部交通科技 2021年5期

农尚武，蒋美军

(1.广西壮族自治区田阳公路养护中心，广西百色 533600；2.广西壮族自治区道路运输发展中心，广西南宁 530012)

0 引言

目前，国内建成有大量独柱墩桥梁，主要是因为独柱墩具有适应性强、占地面积少、结构轻便等特点。独柱墩在城市立交及互通匝道区内使用较多，上部结构一般采用钢筋混凝土预应力连续梁结构或者普通钢筋混凝土连续梁结构，其在整体性能方面相较于简支梁结构更优，可以实现的跨度更大。随着大量独柱墩结构的投入使用，在运营期内，独柱墩桥梁相继出现了很多问题，如桥梁倾覆、滑移以及支座脱落等现象。这些问题都直接影响到桥梁的整体安全，特别是桥梁发生倾覆事件后，对我国经济发展和人民生命财产安全造成不良的影响。

本文首先对我国在役桥梁倾覆事故进行了分析，同时根据实例列举了公路双支座和单支座桥梁的抗倾覆能力，详述了公路桥梁在设计之初需要注意的问题。同时，本文也为防止已建成的独柱墩桥梁发生倾覆，提出了加固措施建议，为后续研究公路桥梁的抗倾覆设计提供参考。

1 近些年在役桥梁倾覆事故分析

近年来在天津、杭州、哈尔滨和无锡等地多座独柱墩桥梁发生了倾覆事件，而倾覆的桥梁在落梁后梁体基本还是完整的，主要原因还是因为机动车超载作用下发生的横向倾覆破坏。表1所示为近年部分典型在役桥梁倾覆事故一览表。

从表1所罗列的桥梁倾覆事件综合来看，我国目前桥梁倾覆暴露出的问题主要有两方面：(1)很多独柱墩在设计时都是沿用以往的设计经验，而没有对独柱墩桥梁抗倾覆性能进行验算；(2)运营单位没有及时对独柱墩桥梁进行检测、维修和更换支座，导致支座年久失修损坏，造成梁体滑落[1]。

表1 近年部分典型在役桥梁倾覆事故一览表

2 公路桥梁的抗倾覆设计

2.1 桥梁概况

本文选取的桥梁位于广西某高速公路路段互通式立交中，桥梁跨径为(3×30) m，全长为97 m。本桥上部结构为现浇预应力混凝土连续箱梁，全桥桥墩均采用柱式墩，钻孔灌注桩基础。本桥平面位于R=260 m圆曲线及A=260 m的缓和曲线上，纵断面纵坡为2.205%，墩台径向布置。

2.2 支承间距的确定

本文将3#墩设置为对比支座，分别为双支座支承(支座间距为6.75 m)和独柱墩支承，其余墩台支座间距均相同。将3#墩作为桥梁抗倾覆不同支座间距的研究对象，桥梁断面对比图和支座布置对比图分别如图1和图2所示。

图1 桥梁断面对比图(cm)

图2 支座布置对比图

2.3 计算参数

2.3.1 技术标准

汽车荷载：公路-Ⅰ级。

桥梁宽度：(0.5+净11.75+0.5+0.25)×2 m

桥面横坡：单向坡5%～1.71%

其他指标按《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)的规定执行。

2.3.2 主要材料

混凝土：现浇箱梁采用C50混凝土，桥面铺装上层为6 cm沥青混凝土，下层为12 cm C40防水混凝土。砂、石骨料宜就地取材，但应经过试验，并符合《公路桥涵施工技术规范》有关条款要求。

预应力钢材：采用由省部级鉴定的专业厂家生产，符合标准的高强度、低松弛(初始荷载为70%，持续1 000 h的松弛值≤2.5%)270级φs15.2 mm钢铰线。标准强度Ryb≥1 860 MPa，单根面积A=139 mm2。

2.3.3 桥梁荷载

(1)一期恒载：混凝土容重取26 kN/m3；

(2)二期恒载：桥面铺装为6 cm厚沥青混凝土+12 cm厚C40混凝土，按照均布荷载施加，荷载取值为50.8 kN/m，每一道护栏荷载取值为10.1 kN/m；

(3)横隔板荷载：横隔板荷载采用梁单元荷载模拟，取126.2 kN/m；

(4)预应力荷载：预应力采用两端张拉，控制应力为1 357.8 MPa；

(5)整体温度：整体升温取25 ℃，整体降温取-23 ℃；

(6)温度梯度：按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)计算取用；

(7)支座沉降：按沉降5 mm考虑；

(8)移动荷载：公路-Ⅰ级；

(9)冲击系数：按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)计算取用，车道加载考虑汽车偏载效应，按照规范横桥向加载三个车道进行计算，布置如图3所示。

图3 车道布置图(m)

2.4 建立全桥空间有限元模型

上部结构采用Midas Civil 2019软件模拟，恒载考虑自重荷载、二期铺装、防撞护栏、横隔板荷载、基础变位以及预应力荷载，活载为移动荷载、温度梯度和整体升降温，作用荷载组合由程序自动组合，支座采用一般支撑模拟，建立全桥空间模型，如图4、图5所示。

图4 3#墩双支座计算模型图

图5 3#墩单支座计算模型图

2.5 计算结果

2.5.1 3#墩布置双支座

(1)支座脱空验算(见表2)

“盛老师特别幽默，把本来特别枯燥的化学知识用有趣的方式展示给我们，一节课下来特别轻松，学到的知识也多，还记得特别牢。”高一年级的学生徐俊洁说。

表2 3#墩双支座脱空验算表

由表2可知，支座4-1的支座反力值最不利，为1 513 kN，处于受压状态，因此在基本荷载作用下，支座始终保持受压状态，符合规范要求。

(2)抗倾覆稳定系数计算(见表3)

由表3可知，支座4-1位置的稳定系数最小为14.3，大于kqf=2.5，符合规范要求，因此结构不存在倾覆的风险。

表3 3#墩双支座稳定系数验算表

2.5.2 3#墩布置单支座

(1)支座脱空验算(见表4)

由表4可知，支座4-1的支座反力值最不利，为1 156 kN，处于受压状态，因此在基本荷载作用下，三个受压支座始终保持受压状态，符合规范要求。

表4 3#墩单支座脱空验算表

(2)抗倾覆稳定系数计算(见表5)

表5 3#墩单支座稳定系数验算表

由表5可知，支座2-1位置的稳定系数最小，为5.9，大于kqf=2.5，符合规范要求。

从表3和表5中可以看出，3#墩双支座条件下全桥稳定系数最小为14.3，3#墩单支座的条件下，全桥稳定系数最小为5.9。由此表明：公路桥梁在同等平曲线半径下，双支座安全条件更优于单支座，在设计过程中应在条件允许的情况下优先考虑设置双支座[2]。

3 公路独柱墩桥梁钢结构支撑加固改造施工方法

3.1 独柱墩加混凝土盖梁改单支座为双支座

为了提高独柱墩抗倾覆能力，首先考虑增加独柱墩的横向抗倾覆能力，最有效、最直接的方法就是将单支座改为双支座，这样另外一个支座就可以分担一部分上部传递下来的荷载，提高支座的使用年限，也能有效削弱上部荷载引起的偏心力。

公路独柱墩桥梁将单支座改为双支座还能提高桥梁的抗倾覆能力，该加固方法的示意图如图6所示。该方法是在原有的墩柱上新增一个钢筋混凝土盖梁，将原有的支座拆除，在箱梁两腹板位置分别设置一个支座，能够起到很好的荷载传递作用，同时还能承担一部分的荷载。

图6 独柱墩加固示意图(cm)

3.2 增设钢支撑

在对已建成的独柱墩桥梁加固的过程中，可以考虑通过增加钢支撑的方式来提高独柱墩的抗倾覆能力。该方式主要是将钢支撑根部的钢筋植入到桥墩内，使钢支撑和桥墩连接成一个整体，以提高桥墩顶和梁底的接触面积，从而提高梁体的抗倾覆能力。独柱梁桥增设钢支撑结构如图7所示。增加钢支撑主要适用于公路桥梁桥墩无法增加混凝土盖梁，且桥墩墩高较高的情况。通过对墩柱增加钢支撑，可以加强主梁和墩柱的连接性能，提高支座的使用年限，从而使上部结构抗倾覆能力增强[3]。