独柱墩连续弯桥抗倾覆性能研究

陈耀金， 林洁辉

(1.广州市番禺区地方公路管理总站， 广州 511400； 2.广东承信公路工程检验有限公司， 广州 511400)

独柱墩桥梁具有结构简单、外形美观、占用桥下空间小等优点，在城市立交桥和高速公路匝道桥中有广泛应用。但独柱墩墩顶较窄，横桥向往往设置单支点支撑，在汽车偏心荷载作用下，独柱墩连续梁桥的横向抗倾覆稳定性问题就很突出。近几年，这种结构型式的桥梁在超载和偏载情况下已发生多起倾覆事故。为此，本文结合工程实例，在原规范设计荷载基础上适当提高验算荷载，以验算在役独柱墩连续梁桥的抗倾覆稳定性，并提出加固措施[1-2]。

1 工程概况

冼庄互通立交东转南匝道桥位于广州市番禺区金山大道，属金山大道桥梁工程的一部分。桥梁跨径总长105.5 m，为5跨预应力混凝土连续弯箱梁，跨径组合为2×20 m+25.5 m+2×20 m。桥面总宽9.2 m，横向布置为0.6 m(防护栏)+8.0 m(行车道)+0.6 m(防护栏)，单向2车道；上部结构为5跨独柱墩连续弯箱梁结构，位于半径R=64.5 m的曲线段；下部结构0#、5#桥台为重力式桥台、双支座，其余桥墩采用独柱式桥墩、单支座。设计荷载为汽车-超20级，挂车-120荷载。该匝道桥处于主干道连接线位置，日常重载交通量大，且在行车高峰时段车辆拥堵严重，交通疏散历时较长，这对桥梁结构的抗倾覆稳定性产生较大的安全隐患。

2 原结构验算

箱梁桥的倾覆过程为：1) 单向受压支座依次脱离受压状态，箱梁的支承体系不再提供有效约束；2) 箱梁扭转变形趋于发散，箱梁横向失稳垮塌，支座、下部结构连带损坏。倾覆过程存在2个特征状态：特征状态1是箱梁的单向受压支座开始脱离受压，特征状态2是箱梁的抗扭支承全部失效。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)[3]中的规定，运营中的箱梁桥的结构体系不应发生改变。以上述2个特征状态为抗倾覆验算工况，提出如下抗倾覆性能验算方法。

1) 在作用基本组合下，箱梁桥的单向受压支座处于受压状态。

2) 在作用标准值组合下，简支梁和连续梁的作用效应符合下列要求：

∑Sbk,i/∑Ssk,i≥kqf

∑Sbk,i= ∑RGkili

∑Ssk,i= ∑RQkili

式中：kqf为抗倾覆稳定性系数，取2.5，综合考虑该简化方法的偏差系数和实际车辆密集排布情况下汽车荷载的放大系数后确定；∑Sbk,i、∑Ssk,i分别为上部结构的稳定效应设计值和失稳效应设计值；li为第i个桥墩处失效支座与有效支座的支座中心间距；RGki为在永久作用下，第i个桥墩处失效支座的支反力，按全部支座有效的支承体系计算确定，按标准值组合取值；RQki为在可变作用下，第i个桥墩处失效支座的支反力，按全部支座有效的支承体系计算确定，按标准值组合取值，汽车荷载效应(考虑冲击)按各失效支座对应的最不利布置形式取值。

为了对独柱墩连续弯箱梁结构进行抗倾覆安全性评估验算，采用Midas/Civil有限元分析软件建立梁格模型[4]，并以2个特征状态为抗倾覆验算工况进行数值分析。根据相关资料及规范设计荷载偏载加载，有倾覆风险的支座为编号0-1#、5-1#的支座，如图1所示。

(a) 支座编号

(b) 计算模型

支座编号规则为按路线前进方向及跨数从左往右进行编号，如单个支座为“n#支座”，双支座为“n-p#支座”，其中n表示n#台(墩)，p表示从左往右第p个支座。

2.1 特征状态1的验算

从Midas/Civil模型中提取的数据如表1所示。其中G为永久作用下支座反力，Q为失效支座对应最不利汽车荷载标准值，最不利汽车荷载计入冲击系数取1.4。

由表1可知，在重车荷载偏心作用下，0-1#支座在特征状态1验算中1.0RGki+1.4RQki，0-1的值为-9.3 kN，即出现9.3 kN的拉力，未满足验算要求；5-1#支座在特征状态1验算中1.0RGki+1.4RQki,5-1的值为-10.2 kN，即出现10.2 kN的拉力，未满足验算要求。综上所述，全桥支座中有2个支座不满足验算要求，桥梁有倾覆风险。

2.2 特征状态2的验算

从表1得知，0-1#、5-1#支座抗倾覆验算不满足要求，存在倾覆风险，且支座存在最不利状态下的失稳效应。采用Midas/Civil有限元分析软件进行特征状态2的验算，从模型中提取的数据如表2所示。

表1 特征状态1抗倾覆验算

表2 特征状态2抗倾覆验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)[3]附件条文说明4.1.8章节要求，横向抗倾覆稳定性系数kqf为2.5。

由表2可知，0-1#支座最不利情况下，汽车-超20级、挂车-120荷载偏载作用下的稳定性系数为0.85；5-1#支座最不利情况下，汽车-超20级、挂车-120荷载偏载作用下的稳定性系数为0.86，均小于规范抗倾覆稳定性系数2.5的要求，支座有倾覆风险。因此，本联桥梁的抗倾覆稳定性不满足规范要求[5-8]。

3 加固设计研究

3.1 加固设计方案

上述横向抗倾覆验算表明，不满足规范抗倾覆性桥墩(台)需进行相应的加固。通过调研，针对这类加固设计提出以下3种方案，从加固方案合理性、施工难度、对交通影响及加固效果进行综合对比分析，结果如表3所示。

表3 加固方案比选

由表3可见，综合考虑3种方案，推荐采用方案3。该方案加固效果较好，原有墩柱也无需加固，而采用增设钢盖梁的方式，就可为提高桥梁抗倾覆稳定性[9-15]。

根据结构受力特点，可对冼庄互通立交东转南匝道桥采用增设钢盖梁及两侧增设辅助支座的加固方案，如图2所示。

由于增设辅助支座后偏载引起的弯矩较大，若采用混凝土盖梁需配置预应力钢筋，或采用较多普通钢筋并将盖梁截面增大，会额外增大桩柱恒载，且施工较复杂，工期长。冼庄互通立交东转南匝道桥为跨线桥，跨越番禺大道主线，该处交通繁忙，施工场地有限，混凝土盖梁方案对施工及桥梁正常运营有较大影响。经比较，在墩顶采用钢盖梁比较合适，钢盖梁受力能满足要求，且施工工艺成熟，可在工厂预制，现场安装，工期较短。

施工采用了强度高、防腐能力强的Q355型耐候钢，在独柱墩上增设套箍，将钢盖梁套设在套箍顶端，使钢盖梁两端向梁体的横向方向延伸，将墩梁连接由一点受力变为三点受力，以此来增强桥梁梁体的稳定性和安全性，如图2(b)所示。

3.2 加固效果分析

为全面了解加固设计完成后其整体的抗倾覆稳定性状况，进行数值建模验算，如图3所示。

其中，支座(顶面与底面节点)采用弹性连接，验算结果如表4、表5所示。

由表4可见，经加固设计内偏抗倾覆验算，各墩台支座在内偏荷载的作用下，可确保在基本组合下原支座不发生脱空，特征状态1满足要求；在最不利荷载作用下，抗倾覆稳定系数最小为3.16，大于规范要求2.5，特征状态2满足要求。

(a) 加固设计

(b) 加固完成后实景

图3 加固设计计算模型

表4 加固设计内偏抗倾覆验算

由表5可见，经加固设计外偏抗倾覆验算，各墩台支座在外偏荷载的作用下，可确保在基本组合下原支座不发生脱空，特征状态1满足要求；在最不利荷载作用下，抗倾覆稳定系数最小为7.54，大于规范要求2.5，特征状态2满足要求。

因此，采用钢盖梁并增设辅助支座的方法，经抗倾覆验算，各项稳定性系数均大于2.5，满足规范要求，故本独柱墩加固方案能满足规范要求。

表5 加固设计外偏抗倾覆验算

4 结论

独柱墩连续弯桥发生倾覆多是在极端偏载作用下，梁体转动引起支承体系强度破坏，进而导致结构失稳。冼庄互通立交东转南匝道桥的独柱墩加固工程实践表明，利用有限元分析法，对独柱墩曲线梁桥在极端偏载作用下的支座反力、抗倾覆稳定系数进行验算分析，通过多指标评估独柱墩曲线梁桥抗倾覆性能。在此基础上，结合现场实际工况，采用增设钢盖梁的加固方法来进一步提高独柱墩桥梁结构的横向稳定性。结合本文分析结果，得出以下结论：

1) 结合工程实例，依据规范要求对独柱墩桥梁进行抗倾覆验算分析，结果表明该桥抗倾覆稳定性不满足规范要求，存在倾覆风险。

2) 加固设计时，提出增设钢盖梁加固法，通过稳定性和抗倾覆能力的验算分析，结果表明该加固方案满足规范要求。