独柱墩桥梁增设钢盖梁设计及可靠性分析

于幸平　金峰

摘要 以某等高钢筋混凝土连续箱梁结构的互通区独柱墩桥为例，提出其上增设钢盖梁的加固措施，钢盖梁处治方案恒载增加小、施工工期短、加固施工对桥面交通影响小，但是钢盖梁结构整体刚度低，并对辅助支座受力较为不利。为此，采用MIDAS-Civil有限元软件进行了加固前后独柱墩结构稳定性验算以及钢盖梁受力可靠性分析。结果表明，独柱墩是桥梁常见的桥梁下部结果形式之一，在进行独柱墩抗倾覆验算时，倾覆系数取值对倾覆能力影響较大，所得出的倾覆系数和支座脱空的对应关系并不明确，而以支座脱空作为判断结构倾覆程度的标准则较为科学合理。

关键词 独柱墩桥梁;钢盖梁;加固设计;可靠性验算

中图分类号 U442.5文献标识码 A文章编号 2096-8949（2022）11-0121-03

引言

独柱墩桥梁上部结构倾覆为复杂的力学现象，当桥梁上部结构出现倾覆前必然会先与支座脱空，脱空后的支座无法对上部结构发挥应有的支撑作用，仅靠剩余支座对上部结构施加约束，引发剩余支座反力重新分布，这一过程中可能造成支座竖向压力超出支座设计强度，引发支座承压破坏、支座转角变形过大以及梁体滑移、盖梁及桥墩强度破坏[1]。增加钢盖梁的技术是近年来学术界和工程实践中均较为推崇的独柱墩桥梁加固措施，该文通过比较独柱墩桥梁加固前后结构稳定性，论证钢盖梁加固方案的可行性，并为独柱墩桥梁加固设计提供借鉴依据。

1 工程概况

某互通区独柱墩桥为等高钢筋混凝土连续箱梁结构，设计荷载与验算荷载均为公路-Ⅰ级;下部为钢筋混凝土独柱墩及肋板式桥台结构、扩大基础。桥面C40复合纤维防水混凝土铺装层设计厚度8～14 cm;主梁截面为单箱单室斜腹板形式，箱梁顶底分别宽10 m和5.6 m，梁高1.2 m，顶底板厚度均为20 cm，并在支点处加厚至40 cm;腹板厚30 cm，支点处加厚至50 cm。根据现行规范，单向受压支座在标准值作用组合下不应处于脱空状态，支座横向转角应不超出0.02 rad，固定支座各向水平力及单向支座非滑移向水平力标准值均不应超出设计承载力的10%[2]。

为应对该独柱墩桥梁稳定性不足的情况，避免安全事故发生，应采用可靠的加固处理措施，该桥梁主要采用增设钢盖梁的方法，加固效果图详见图1。在加固过程中支点受力体系改变后应在主梁腹板范围内设置支点，防止因主梁底板局部应力过大而引发结构失稳破坏;通过化学锚栓连接钢盖梁和墩柱结构。桥梁正常使用极限状态和承载力极限状态均维持原设计，保证在原设计荷载下加固后的结构能满足正常使用要求。

2 抗倾覆稳定性验算

为进行独柱墩增设钢盖梁法加固效果的检验，必须进行加固前后独柱墩结构稳定性验算。《公路钢筋混凝土及预应力混凝桥涵设计规范》（JTG3362—2018）规定，在持久运行状态下，梁桥结构不应表现出体系改变，且单向受压支座必须保持受压状态，而整体式截面简支梁及连续梁均应满足抗倾覆稳定性要求。验算过程中应考虑车道荷载、成桥内力、支座沉降、温度梯度及温度升降标准值作用下支座反力是否表现为负反力。

2.1 加固前抗倾覆验算

通过MIDAS-Civil有限元软件进行独柱墩桥梁结构加固前支座是否脱空计算，并验算加固措施实施前支座是否符合规范所规定的不脱空条件[3]。支座脱空验算结果表明0#桥台左右支座实际支反力分别为?495.2 kN和?478.4 kN，4#桥台左右支座实际支反力分别为?495.2 kN和?478.4 kN，而1#～3#桥墩支座实际支反力分别为2 981.3 kN、3 054.5 kN和2 981.3 kN。验算结果表明，在基本组合情况下，1#～3#桥墩支座实际支反力为正反力，符合《公路钢筋混凝土及预应力混凝桥涵设计规范》（JTG3362—2018）规范要求，但0#桥台和4#桥台左右支座主要产生负反力，不符合规定，也说明该独柱墩两侧桥台支座存在脱空现象。

应用MIDAS-Civil有限元软件进行该独柱墩桥梁加固前抗倾覆验算，并进行桥梁稳定系数是否在2.5以上的判断。验算结果详见表1。根据所得到的独柱墩桥梁增设钢盖梁加固前桥台各支座最不利工况下稳定及失稳效应分析结果，0#桥台和4#桥台稳定性系数均为0.78，远小于2.5的规范值，说明加固措施实施前该独柱墩桥梁抗倾覆验算结果并不满足规范。

根据以上分析结果，该独柱墩桥梁结构0#桥台和4#桥台在加固措施实施前均面临支座脱空、抗倾覆验算达不到规范要求等情况，必须通过加固处理，改善独柱墩桥梁稳定性能。

2.2 加固后抗倾覆验算

该独柱墩桥梁增设钢盖梁时在主梁和支座间预留宽度为2 mm的间隙，使两侧支座顶部并不与梁底接触。一侧支座接触梁底、另一侧脱空的单侧偏载工况能使桥梁结构整体稳定性显著提升，并使钢盖梁负担有效减轻、钢盖梁耐久性提升。由于支座脱空验算过程中旧桥支座若不发生脱空即视为抗倾覆验算过关，故加固后独柱墩桥梁抗倾覆验算不考虑边支座的脱空情况。

应用MIDAS-Civil有限元软件进行增设钢盖梁加固后桥梁运营过程中抗倾覆验算。考虑最不利的单侧偏载情况，根据规范进行各墩台支座稳定效应及失稳效应计算。计算结果见表2，根据结果，0#桥台、4#桥台及1#～3#桥墩支座抗倾覆稳定系数最大值为31.76，最小值为6.57，均超出规范值，表明通过增设钢盖梁的措施进行独柱墩桥梁加固后抗倾覆验算符合相关规范，加固后桥梁整体稳定性能显著改善。

3 钢盖梁受力可靠性分析

考虑到独柱墩桥梁上增设钢盖梁后，桥梁上部结构自重和活荷载便由钢盖梁承担，钢盖梁结构比混凝土盖梁结构整体刚度低，并对辅助支座受力存在一定程度的不利影响，为确保钢盖梁及桥梁整体的受力稳定和结构安全，必须进行钢盖梁受力可靠性验算。悬臂式钢盖梁钢设计长度为8.0 m，宽2.5 m，并主要由腹板、顶板、钢套筒、加劲肋及横隔板等组成，顶板、腹板及钢套筒钢板均采用厚度24 mm的Q345钢材，其余钢板厚度在12～16 mm范围内。钢材主要通过工厂预制、施工现场组装的方式，按照设计要求分别安装在顶板、腹板、墩顶等部位。钢套筒通过坡口焊，其余钢板结构则采用焊脚尺寸9.0 mm的角焊缝。预制钢盖梁结构通过8.8级M20螺栓现场拼装焊接，盖梁和墩柱则通过8.8级M20后扩底锚栓连接;通过压力注胶的方式进行钢板和墩柱混凝土结合面黏接。该独柱墩桥梁钢结构全部采用涂装防腐涂层的耐候钢，涂装层厚340 mm。涂装体系要求详见表3。增设CJZ型（500×500×50）mm（长×宽×高）板式橡胶支座，并增设钢筋混凝土垫石，并焊接U型钢筋作为钢盖梁和垫石间的剪力连接键，在垫石四周增设固定钢板。55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7

通过MIDAS-Civil有限元软件进行钢盖梁拉/压弯构件腹板厚度、腹板应力、翼缘板弯曲应力、构件整体稳定性分析及疲劳验算，有限元模型见图2。值得注意的是，在进行钢盖梁受力验算时，必须保证所涉及的各项指标均满足《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）的相关要求，注重构造所要求的计算内容。

3.1 腹板应力及最小厚度验算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）的相关规定，公路钢结构桥梁腹板应力必须满足以下条件：

（1）

式中，——腹板应力（MPa）;——桥梁钢结构重要性系数;——腹板弯曲应力（MPa）;——钢材设计抗剪强度（MPa）。由式（1）可得，腹板应力为35.987 MPa，比钢材设计抗剪强度155.00 MPa小，故腹板应力满足规范要求。

根据式（1）所得到的该独柱墩桥梁腹板应力验算包络图具体见图3。

根据规范，腹板厚度最小值应满足下式：

（2）

式中，——腹板厚度实际值（mm）;——腹板厚度最小值（mm）。经计算，腹板厚度最小值为8.5 mm，比腹板实际厚度30 mm小，故满足规范要求。该独柱墩桥梁增设钢盖梁后腹板厚度最小值包络图具体见图4。

3.2 钢盖梁疲劳验算

根据规范，应用疲劳荷载计算模型进行正应力及剪应力疲劳计算，根据所得到的疲劳验算正应力包络图及剪应力包络图，疲劳模型下最大正应力幅值取88.7 MPa，最不利疲劳正应力幅值为11.78 MPa;疲劳模型下最大剪应力幅值为34.8 MPa，最不利疲劳剪应力幅值为4.989 MPa。疲劳模型下最大正应力幅值和最大剪应力幅值均比正应力疲劳极限值和剪应力疲劳极限值小[4]。以上结果充分说明，钢盖梁结构疲劳正应力和剪应力可靠性均符合规范要求。

4 结论

通过增设钢盖梁法进行独柱墩桥梁加固处理后桥梁支座抗倾覆稳定性极大提升，桥梁结构整体稳定性明显改善。在独柱墩桥梁上增加钢盖梁后，钢盖梁结构将承受主梁自重及结构活载，故钢盖梁各项指标必须满足相关规范，才能保证加固措施的安全可靠。该文对钢盖梁实施加固后能有效消除桥梁因长期承受重载车辆作用后的抗倾覆安全隐患，确保独柱墩桥梁运行安全。除采取增设钢盖梁加固技术外，加强对超载超限车辆管理、限制車速等对于确保独柱墩桥梁结构稳定运行也很重要。

参考文献

[1]刘骁. 独柱墩桥梁增设钢盖梁设计与验算分析[J]. 低温建筑技术， 2021（11）： 115-119.

[2]王文彪， 韩鹏， 李攀. 独柱墩曲线桥钢盖梁加固方案设计[J]. 城市道桥与防洪， 2021（3）： 68-71+13-14.

[3]李王辉， 贾磊， 张小刚. 独柱墩连续箱梁增设钢盖梁加固设计[J]. 公路交通科技（应用技术版）， 2019（1）： 232-234.

[4]翟锐. 独柱墩匝道桥抗倾覆验算与安全提升改造研究[J]. 工程技术研究， 2021（7）： 41-43.

收稿日期：2022-03-09

作者简介：于幸平（1970—），男，大专，助理工程师，从事路政工作。55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7