某城市高架桥梁倾覆风险评估及治理对策研究

谢曙辉

(华设检测科技有限公司 南京市 210014)

0 引言

独柱墩桥梁具有土地占用少、工程造价低、造型优美等优势,多应用于城市高架桥梁及匝道桥梁中。日本城市高架先使用了独柱墩桥梁,其他发达国家逐步开始采用此类桥梁。独柱墩桥梁在我国同样得到了迅猛发展,二十世纪八十年代初,有关独柱墩桥梁的计算分析理论初步形成;到二十世纪九十年代,实际工程中逐渐采用独柱墩桥梁形式,设计计算分析方法也日益成熟;进入二十一世纪后,独柱墩桥梁在全国各地桥梁工程中得到广泛应用[1]。

随着我国经济发展加快,独柱墩桥梁建设规模增大,加之交通流量急剧增多,特别是车辆超载现象频发,独柱墩桥梁倾覆事故逐渐增多,独柱墩桥梁的工程应用更为谨慎,独柱墩桥梁的研究重点从整体设计分析逐步转向横向抗倾覆设计与加固方法研究。

文章阐述了长三角地区某特大城市高架独柱墩桥梁倾覆风险排查方法以及对存在横向失稳风险桥梁相应治理措施的制定策略,相关方法思路可为从业人员提供参考借鉴。

1 倾覆机理及验算方法

1.1 倾覆机理

独柱墩桥梁具有鲜明的结构特点,通常其桥面宽度窄、设计车道数较少,平面布置采用直线梁或小半径曲线梁形式。上部结构采用整体式连续箱形梁,下部结构在中间墩位置部分采用单柱墩形式。单柱墩位置的主梁支承方式有墩梁固结和支座支承两种,其中支座支承又可分为单支座支承和多支座支承,在桥台或过渡墩位置的主梁支承方式为多支座支承。

在密集重车作用下,汽车活载将对独柱墩桥梁产生离心力及偏载效应。当车辆荷载产生的倾覆力矩大于梁体自重抗倾覆力矩时,边支点支座容易出现部分脱空现象,中支点墩梁固结部位容易出现混凝土开裂现象。随着车辆荷载产生的倾覆力矩逐渐增大,边支点支座脱空程度将进一步加重,中支点墩梁固结处将出现混凝土偏压破坏,进而导致桥梁失去横向稳定性,桥梁逐步由结构转变成机构状态,最终发生桥梁的横向倾覆,独柱墩桥梁的倾覆破坏具有连续性及不可逆性。独柱墩桥梁的倾覆现象,可归结为力学中结构整体稳定问题。独柱墩桥梁的横向倾覆,与第二类稳定问题类似,倾覆过程中会出现边界非线性和材料非线性现象[2]。

1.2 验算方法

国内外均有关于独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性的验算方法和标准,相关验算指标差异较大[3],文章采取的验算思路为依据《公路混凝土桥梁及预应力混凝土桥梁设计规范》[4](JTG 3362—2018)(以下简称《混规》)有关规定,同时结合交通运输部发布的《公路危旧桥梁排查和改造技术要求》[5](以下简称《要求》)中相关指导意见。

验算荷载标准依据《要求》取值列于表1。抗倾覆验算技术路径见图1。首先进行桥梁基础资料搜集及现场复核工作;其次判断桥梁支承类型,通过有限元方法针对性地进行分析,具体而言,对于支座支承桥梁,其抗倾覆验算方法按《混规》的4.1.8条款执行,对桥梁支座脱压及横向抗倾覆稳定性系数进行验算。对于墩梁固结桥梁,其抗倾覆验算方法按《要求》的附录C执行,重点对固结墩结构抗力进行验算。

图1 独柱墩桥梁抗倾覆验算技术路径

表1 抗倾覆验算的汽车荷载取值标准

1.3 验算示例

某桥为3×20m预应力钢筋混凝土等截面连续箱梁,桥面宽度16.5m,箱梁一般横断面如图2所示,支座布置形式如表2所示。采用Midas Civil进行计算分析,有限元模型如图3所示。分别考虑汽车活载左右偏载两种状况,分析工况示意见图4,计算结果见表3、表4。

图2 箱梁一般横断面(单位:cm)

图3 有限元模型

图4 特征状态2支座示意图

表2 箱梁支座布置信息表

表3 结构抗倾覆验算结果表—右偏失效

验算结果表明,活载右偏验算工况下结构抗倾覆性满足规范要求;活载左偏验算工况下特征状态1出现负支反力(支座脱压),特征状态2稳定性系数小于2.5,不满足规范要求;故本桥结构抗倾覆不满足规范要求。

2 倾覆风险因素分析

独柱墩桥梁的横向稳定性受多种因素影响,不限于桥梁设计荷载等级、实际交通荷载水平、桥梁平面及横向布置形式、桥面宽度、桥梁支承形式、支座间距等。

基于某城市高架桥梁抗倾覆验算结果,文章分析了该城市高架桥梁总体抗倾覆验算结果及横向抗倾覆稳定性系数K的分布情况,考察了桥梁设计年代、直弯桥型、支承形式、桥面宽度、桥面宽度/支座间距与倾覆验算结果的相关性。具体结果如图5～图8所示。

图5 项目桥梁抗倾覆验算总体情况

图6 直弯桥梁抗倾覆验算结果分布

图7 桥梁不同支承形式下抗倾覆验算结果分布

图8 不同桥面宽度、支座间距对抗倾覆验算结果的影响

从验算结果可知,桥梁抗倾覆验算总体通过率仅为46.33%,验算未通过的桥梁中,仅状态1验算(支座脱压验算,下同)未通过的占40.83%,仅状态2验算(稳定性系数验算,下同)未通过的占3.21%,状态1与状态2验算均未通过的占9.63%。在验算荷载下,未通过验算桥梁出现支座负反力的情形较为普遍,状态2验算未通过的桥梁,其K值集中分布在0.5～2.0之间。

文章选取《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)的实施时间为桥梁设计年代影响的分界点,此规范较前期《公路桥涵设计通用规范》(JTJ 021—89)对设计汽车荷载作了有较大改进。验算结果表明,设计年代在2004年(含)之前的桥梁共167联,抗倾覆验算未通过率为60.48%,2004年之后的桥梁共51联,未通过率为31.38%。验算未通过桥梁中,2004年(含)之前设计的占绝大多数。

直线桥验算未通过率为46.99%,曲线桥验算未通过率为57.78%,曲线桥的验算通过率明显小于直线桥。不含单支座的桥梁较为普遍,占总数的80.28%,不含单支座桥梁抗倾覆验算未通过率为52.00%,含单支座桥梁验算未通过率为60.47%,由此可见,不仅仅是单支座支承桥梁,对于不含单支座桥梁的横向倾覆问题同样亟需重视。

综合考察了桥面宽度、支座间距以及两者之间相对关系对桥梁倾覆验算结果的影响。从验算结果可知,桥梁桥面宽度B≤10m的情形下,支座间距D≤2m的验算未通过率为69.47%,桥面宽度B>10m的情形为100%;桥梁桥面宽度B≤10m的情形下,2m<支座间距D≤4m的验算未通过率为32.47%,桥面宽度B>10m的情形为78.57%;桥梁桥面宽度B≤10m的情形下,支座间距D>4m的验算未通过率为50%,桥面宽度B>10m的情形为25%;支座间距越小,桥梁抗倾覆验算未通过率越高。随着桥面宽度B与支座间距D的比值的增大,桥梁抗倾覆验算未通过率由53.33%逐渐增长至100%,比值越大,抗倾覆验算未通过率越高。

3 抗倾治理策略制定

结合高架桥梁倾覆风险排查总体结果,该城市行业主管部门在制定桥梁抗倾覆治理策略过程中,综合考虑桥梁支承形式、稳定性系数等参数影响程度以及年度财政计划,提出了“分步走”的治理方案。

对于抗倾覆验算未通过的桥梁,优先治理特征状态1及状态2验算均未通过以及固结墩抗力验算未通过的桥梁,其次治理特征状态1验算未通过且特征状态2情形下,稳定性系数K<5的桥梁,最后治理剩余的桥梁。

在桥梁抗倾覆加固治理思路上,对于状态1验算未通过且支座拉力较小时,考虑增设抗拔约束装置进行加固;对于单支座支承桥梁,考虑采用多墩加盖梁改多支承的方式进行加固;对于多支座支承桥梁,考虑采用拉大支座间距的方式进行加固;对于墩梁固结桥梁,考虑采用单墩加强改多支承的方式进行加固[6]。

4 结语

(1)文章总结了独柱墩桥梁的结构特点及倾覆特征,结合规范及行业要求,归纳提炼了桥梁抗倾覆验算的工作路径。

(2)基于某城市高架桥梁倾覆风险排查工作,介绍了项目桥梁验算结果总体情况,分析了桥梁设计年代、结构形式参数等因素对抗倾覆验算结果的影响。

(3)在桥梁抗倾治理策略制定过程中,某城市行业主管部门采取了“分步走”的综合治理策略,协调了桥梁行车安全与抗倾治理进度。