独柱墩桥梁抗倾覆设计与加固方法研究

任永斌

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉 430000）

0 引言

独柱墩桥梁往往具备多种路线形态，能够极大地优化局部公路交通通行环境，被广泛应用在公路匝道桥梁、城市立交中。车辆通行规模的增大促使人们对桥梁结构承载强度及稳定性要求愈发严格，考虑到曲线独柱墩桥梁只有单个支点支撑其横桥向稳定性，在外部行车荷载作用下极容易造成独柱墩横向倾覆。独柱墩曲线桥梁在偏心荷载作用下产生较大的扭矩，此时桥梁支座容易产生脱空情况，继而产生整体倾覆，对公路交通的稳定运行造成了极大威胁。为此，开展独柱墩曲线桥梁行车荷载下的力学加固分析具有重要社会经济效益。

1 独柱墩曲线箱梁受力

直线桥梁在行车荷载不偏心情况下不会产生较大扭矩，然而在曲线独柱墩箱梁结构中，即便存在对称行车荷载，也会对上部结构产生明显扭矩。在桥梁曲率半径较小时，独柱墩曲线箱梁极容易出现内梁卸载、外梁超载情况，针对独柱墩箱梁设计优化不仅需要考虑行车偏载情况下造成的结构内力不均匀现象，而且还要重点分析支点反力分布，避免出现倾覆危害。

1.1 荷载

相对于直线型桥梁，独柱墩曲线箱型桥梁在行车荷载作用下，会产生扭转、横纵向弯曲、畸变等多种变形状况，且随着箱桥梁曲率半径的变化，力学响应差异性极大。独柱墩曲线箱桥梁在外荷载作用下产生明显的弯扭耦合效应，产生的变形也要大于同样尺度的直线桥梁，且曲线桥梁弯扭耦合下的外边缘变形明显大于内边缘变形[1]。

1.2 支座反力

独柱墩曲线箱桥梁支座反力在外界荷载作用下呈不均匀分布，曲线桥的外支座反力明显要大于内支座反力，这主要归因于桥梁重心线处于截面形心线外侧。曲线桥梁支座反力比直线桥更为复杂，在内侧支座处极容易出现负支座反力，继而导致支座脱空而倾覆。为此，前期曲线桥梁设计阶段需要加强支座控制，可以在外侧支座位置设置防超载装置，也可以在内侧采用受拉型支座。

1.3 刚度

独柱墩曲线箱桥梁上部结构具备较大的横梁刚度，这能够充分保证整体结构的刚度稳定性。施工中采用薄腹箱梁截面时，则需要适当增加横梁数量提升刚度，以便弱化弯扭耦合造成的截面畸变。除此之外，曲线箱梁预应力效应也会对支座反力进行重分配，进行结构抗倾覆设计中支座反力分析时需要对预应力效应加以考虑[2]。

2 工程概况

湖北省某钢筋混凝土曲线箱梁设计全长90 m，三跨结构（25 m+25 m+25 m），上跨运输铁路，设计荷载为公路Ⅱ级，设计车速60 km/h。桥型布置示意图如图1所示。曲线箱桥梁面设计宽度11 m[0.5 m（防撞护栏）+10 m（行车道）+0.5 m（防撞护栏）]，桥面设计横坡1.5%，曲率半径700 m。箱梁结构顶板高度1.8 m，底板宽度为1 m，宽度为11 m；下部结构设计则采取独柱墩桥墩+扩大基础构造，U型桥台。其中，箱梁现浇混凝土C30，桥墩、支座垫石、桥台结构混凝土C30，搭板、护栏、桥墩扩大基础则采取C25混凝土。支座布置方案如下：桥桥梁台处布设3个对称分布的板式橡胶支座（400×450×80 mm），内外侧支座距离桥梁设计中线为3.2 m，中间1、2号桥墩处则分别布置单个圆板式橡胶支座（1 310×140 mm）。考虑到该区域车辆通行量较多，且重车占比较大，设计单位拟对该独柱墩曲线箱桥梁进行公路Ⅰ级荷载的抗倾覆验算，继而进行结构优化加固，以便改善桥梁结构耐久性，提升区域交通规模[3]。

图1 桥型布置示意图

3 有限元模型分析

3.1 尺寸及荷载

该独柱墩曲线箱梁为非预应力混凝土箱梁设计，设计单位主要采取MIDAS/Civil有限元软件对该桥梁进行梁格法模型构建和力学响应分析，箱梁为单箱双室截面设计，具体尺寸如图2所示。

图2 箱梁截面示意图

模型施加荷载如下：永久荷载包括混凝土自重25 kN/m3、两侧护栏线荷载14.3 kN/m、桥面钢筋混凝土铺装及沥青混凝土路面；汽车荷载则以公路Ⅰ级设计标准进行抗倾覆验算，桥面为双向二车道设计，其中，公路Ⅰ级车道荷载均布荷载标准值qk=10.5 kN/m，集中荷载标准值pk按照以下标准进行选取：计算跨径≤5 m，则选取pk=180 kN；计算跨径≥50 m时，则选取pk=360 kN；计算跨径分布在5～50 m之间时，则通过线性插入法选取pk。该桥梁为双向行车，行车宽度10 m，则需要综合分析二车道荷载效应，此时均布荷载qk=21 kN/m，集中荷载pk选取为520 kN；支座沉降以0.025 m（L/3 000）进行计算。

3.2 模型构建

项目主要采取MIDAS/Civil软件进行梁格法模型构建，模型示意图如图3所示。模型计算中对于最不利荷载施加位置的确定遵循以下原则：行车均布荷载满布于桥梁结构最不利情况影响线上，集中荷载则作用于影响线最大峰值位置。通过软件测试可以获取1#、3#、6#、8#支座最不利行车荷载施加位置，1#支座反力计算需要在3#支座内侧加载，此时均布荷载满布桥跨，5#支座外边缘施加集中荷载；3#支座反力计算则需要在内侧进行加载，此时桥跨满布均布荷载，4#支座外边缘施加集中荷载；8#支座反力计算则需要均布荷载满布桥跨，5#支座外边缘施加集中荷载[4]。

图3 模型构建示意图

3.3 抗倾覆分析

3.3.1 最不利支座反力

项目进行独柱式曲线箱桥梁抗倾覆验算中，需要考虑以下荷载组合：支座沉降、箱桥梁自重、护栏及桥面铺装、外侧施加行车荷载。项目为对称结构，依据实践经验，只对1#、3#支座不利情况进行分析。1#支座最不利内侧加载反力、3#支座最不利外侧加载造成的反力统计如表1所示。表1结果表明，1#支座最不利内侧施加行车荷载下，支座反力不存在负值，所有支座并不会脱空；3#支座最不利外侧施加行车荷载情况下，3#支座的反力为负值，此时3#支座存在脱空。该桥梁结构左右两侧对称，1#支座和6#支座具备同样力学响应，3#支座和8#支座也具备同样力学响应。3#支座在不利荷载施加情况下出现反力负值主要是由曲线梁自身构造特性所决定，箱梁内侧弧长要小于外侧弧长，曲线箱梁的截面形心和结构重心并不一致，结构重心要往曲线梁外侧发展，此时重心轴、行车荷载两者产生相互扭转，造成3#支座的脱空现象，引发桥梁翻转等严重安全事故[5]。

表1 1#、3#支座不利情况下支座反力统计

3.3.2 抗倾覆验算

依据相关规范，该文确定该曲线箱梁的最小抗倾覆系数为2.5，这样才能够确保箱梁结构的强度耐久性符合要求。该独柱墩曲线箱梁抗倾覆安全系数计算如式（1）：

式中，RGi——各支座反力；e——行车加载车道到结构倾覆中线距离最大值；Ω——横线加载车道和倾覆中线围合面积；u——冲击系数；xi——支座至倾覆线之间的距离，如表2所示。

表2 倾覆线至支座的垂直距离统计

项目箱梁均布荷载21 kN/m，集中荷载520 kN，Ω=191 m2，冲击系数u为0.24，加载车道至倾覆线距离e为2.8 m，则通过计算可获取项目的抗倾覆系数为1.3＜2.5，则该曲线箱型桥梁在Ⅰ级公路荷载下不能够达到稳定性要求。

4 桥梁加固优化设计

4.1 加固方案

新建曲线桥梁可以通过支座的合理偏心化设置有效提升结构的抗倾覆能力。既有箱梁结构则难以进行支座偏心处理，设计单位拟采取增加支座数量方法进行抗倾覆优化。加固方案中需要在箱梁已有独柱墩上部施工钢结构支撑，支撑上需要附联2个支座，对行车荷载及弯扭耦合效应进行充分分担，消除过大的横向扭矩。加固布置示意图如图4所示，1、2号桥墩位置在桥梁设计中心线两侧距3.2 m处分别布置1个同类型支座，该布置形式能够弱化行车荷载偏心施加时产生的弯扭变形[6]。

图4 加固方案支座布置示意图

4.2 加固效果

针对加固后工况开展原有最不利荷载作用下的有限元分析，3#支座加固前后各支座反力及抗倾覆安全系数对比如表3所示，结果表明，公路Ⅰ级行车荷载作用下，加固后曲线桥梁都不会出现支座脱空情况，3#支座反力此时为420 kN。

表3 不利情况支座反力及抗倾覆安全系数对比

5 总结

该文针对湖北省某三跨独柱墩曲线箱梁进行抗倾覆验算，并且针对最不利支座进行加固分析。研究结果表明，公路Ⅰ级荷载作用下原有桥梁存在3#支座脱空情况，极容易出现倾覆危害；采取增加中墩支座的加固方案能够充分提升桥梁通行能力及整体结构的稳定性。该文所作研究能够为类似工程设计提供理论参考。