独柱墩连续曲线箱梁桥抗倾覆性能评估与加固

阮云龙

(佛山市三水区公路养护中心,广东 佛山 528135)

0 引言

独柱墩连续曲线箱梁桥因其结构简单、占用桥下空间小、适用性强、线形美观流畅、行车视野好、经济性较好等优点,成为公路互通匝道设计中常用的桥型之一。然而,该桥型因结构布置上采用独柱墩支承,过渡墩为间距较窄的双支座或三支座平面布置形式,加之为连续多跨箱梁,当多辆重载车辆横向偏载行驶于桥梁单侧时,箱梁较易出现支座脱空、滑移和倾覆[1]。随着独柱墩连续曲线箱梁多起倾覆事故的发生,该类桥梁倾覆机理、影响因素和抗倾覆能力的提升等逐渐引起了桥梁工程界的关注。如:彭卫兵等[2]总结了独柱墩桥梁倾覆破坏的模式;陈映贞等[3]提出了独柱墩桥梁抗倾覆验算的实用计算方法;殷新锋等[4]分析了曲率半径、连续跨数、梁端支座间距等因素对独柱墩弯桥抗倾覆稳定性的影响;陈耀金等[5]对独柱墩连续弯桥的抗倾覆稳定性进行验算分析,并结合桥梁结构特点,提出了桥梁抗倾覆能力的加固措施。上述研究成果一定程度上为独柱墩桥梁抗倾覆分析和加固设计提供了参考,且部分内容被《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)修订时采用[6]。

在独柱墩桥梁营运管理方面,为确保该类桥梁的营运安全,2020年交通运输部组织相关管理部门对公路独柱墩桥梁抗倾覆的稳定性进行排查和提升[7]。2021年3月,交通运输部对该类桥梁抗倾覆安全性提出了更为严格的要求,增加了盖梁、桥墩、支座和基础的承载能力验算规定[8]。2022年3月,交通运输部再次要求各桥梁营运管理单位对独柱墩桥梁存在的安全隐患进行排查[9]。

本文根据现行桥梁设计规范和行业管理部门的规定和技术要求,归纳该类桥梁抗倾覆评估的内容、要点和加固方法,并结合工程实例,对独柱墩连续曲线箱梁桥的抗倾覆性能进行加固性能分析,为同类型桥梁的抗倾覆评估和加固提供参考。

1 倾覆评估要点

独柱墩连续曲线箱梁桥的倾覆过程为:桥梁上部结构在偏心移动荷载作用下,支座反力逐渐减少,脱离正常的受压状态,且不能提供有效的约束,支承边界呈现非线性,结构受力体系发生改变,随后结构发生几何大扭转和横向失稳,倾覆、垮塌,并造成支座、桥墩连带损坏等,如图1所示。

根据桥梁设计规范和行业技术要求,为避免该类桥梁发生倾覆破坏,桥梁抗倾覆能力评估的内容和要点如下:

(1)进行桥梁抗倾覆能力评估时,应重点计算支座反力和上部结构的抗倾覆稳定系数,具体的计算方法参见JTG 3362-2018第4.1.8条及条文说明规定。

(2)桥梁抗倾覆能力是否满足规范要求的判定标准:在作用基本组合下,桥梁支座保持受压。且作用标准组合下主梁抗倾覆稳定系数在2.5以上。

(3)对不同的道路等级和荷载标准,应结合桥梁实际情况,选择恰当的验算汽车荷载。具体取用标准可参照表1。

表1 结构验算的汽车荷载取用标准

表2 作用基本组合(左偏)支点最小反力

(4)除了对桥梁上部结构抗倾覆能力验算外,还应对盖梁、桥墩、支座和基础的承载能力进行验算[8]。

2 抗倾覆加固方法

提升独柱墩连续曲线箱梁桥抗倾覆能力的方法主要包括:单支承变多支承、单支承改为固结、设置冗余约束(如拉拔、限位装置)等[7-9]。

2.1 单支承变多支承

通过独柱单支承变多柱多支承(独柱墩改多柱墩)或独柱单支承变单柱多支承(独柱墩加宽或增设盖梁),能使结构在偏载下抗倾覆能力有较大的提高。该方案对桥梁结构体系改变不大,且能较大幅度地提高其抗倾覆能力,是在桥下净空不受限制的场景中,应用最为广泛的一种加固方法,如图2所示。

图2 单支承变多支承

2.2 单支承改固结

将桥墩支承改为桥墩与主梁固结,虽能提升桥梁的抗倾覆能力,但会导致桥梁的结构体系发生改变。采用该方法进行桥梁抗倾覆加固时,应重点验算桥墩的强度。该方法更适用于桥下空间受限的高独柱墩桥梁,如图3所示。

图3 单支承改固结

2.3 设置冗余约束

在独柱墩上设置冗余约束,虽在一定程度上能够提高重载下桥梁的抗倾覆能力,但提高幅度相对有限。该方法较为适用于防止突发偶然荷载(如地震)下主梁的滑移和倾覆,如图4所示。

图4 设置冗余约束

图5 典型横断面(单位:cm)

图6 桥梁支座平面布置

3 工程实例分析

3.1 工程概况

佛山市三水二桥及引道公路工程的石湖洲互通立交D匝道桥全长78m,上部结构为3×25m预应力混凝土连续曲线箱梁,曲线半径60m,桥宽8.75m。桥墩采用直径为1.3m的独立圆柱墩,桥墩基础为直径1.5m的钻孔灌注桩。支承位置相对圆弧中线向外偏心70cm。桥台为座板式台,桥台基础为钻孔灌注桩基础。支座采用盆式橡胶支座。该桥建成于2007年5月,设计汽车荷载等级为公路-I级。

3.2 计算模型的建立

采用Midas Civil建立结构空间受力分析的有限元模型(图7),边界根据现场核查、检测的实际情况进行合理简化和修正,同时考虑施工顺序、预应力张拉、非线性等因素对支座反力的影响。分析模型的计算荷载包括自重、整体升降温、温度梯度、收缩、徐变、支座沉降、汽车荷载等,并按照文献[13]的规定考虑荷载组合。

图7 桥梁抗倾覆验算有限元模型(原结构)

3.3 原结构抗倾覆能力验算

依据JTG 3362-2018第4.1.8条及条文说明规定,重点分析曲线内、外侧偏载两种工况下箱梁的支座反力及抗倾覆稳定性系数。

(1)支座反力验算结果。由表3可知,在基本组合作用下,单向受压支座均保持受压状态。

表3 作用基本组合(右偏)支点最小反力

(2)由表4可知,最不利布载(左偏)横桥向抗倾覆稳定性系数为1.9,小于2.5。

表4 结构最不利布载(左偏)横桥向抗倾覆稳定性系数

表5 结构最不利布载(右偏)横桥向抗倾覆稳定性系数

综上,该桥抗倾覆稳定性不满足规范要求。

3.4 抗倾覆加固设计

3.4.1 加固方案的选定

结合该桥抗倾覆验算结果和结构特点及现场使用条件、经济性等因素,该桥的加固设计采用在1个独柱墩处改单支承为多支承。首先考虑在1#独柱墩处增设盖梁与增设支点的方法,但由于该桥平面曲线半径较小,独柱墩采用偏心设置,且为单桩单柱结构(无承台),增设盖梁后原有的独柱墩受力模式由轴心受压变为偏心受压。经验算,采用增设盖梁与增设支点的方法,最不利偏载情况下独柱墩偏心受压承载力无法满足要求,验算结果见表6。

表6 增设盖梁与增设支点时独柱墩承载力验算结果

由于原桥独柱墩为单桩单柱结构,无法通过增大截面或改造为薄壁墩等方法提高下部结构的承载能力和抗倾覆稳定性。为此,考虑采用将独柱墩增设桩柱改为多主墩方案进行加固(独柱墩改为多柱墩),如图8所示。

图8 独柱墩改多柱墩支承加固(单位:cm)

在1#墩两侧增加混凝土桩、柱,箱梁在新增支座位置处增设外挑横梁,将1#墩单支承改为多支承。在正常恒载作用下,新增支座不参与受力;在活载作用下,当发生偏载时,相应位置新增支座参与受力,由单支承变为多支承,加强主梁的抗扭刚度。该加固方法的优势主要有以下两方面:

(1)上部结构加固后增强横桥向的稳定性,梁体在活载作用下整体对称受力,在解决桥梁整体横向抗扭不足的同时,避免对主梁整体受力造成不利影响。

(2)增设墩柱后,有效地降低了最不利荷载下主墩的最大受力,一定程度上提升了桥梁下部结构的整体承载能力。

根据原桥图纸资料,桥位1#墩和2#墩处的土层主要为人工填土、黏土、砂、卵石和砂砾岩,其中砂砾岩为较好的持力层,土层分布大约为-33～-38m左右(设计参照地质情况并参照原桥桩长控制40m长)。新增桩基采用端承桩,设计桩长按构造要求进入中风化岩层3倍桩径后,方可终孔。

3.4.2 加固后结构抗倾覆能力验算

1#墩曲线两侧分别距原支座1.8m处新增2个支座,计算模型如图9所示。

图9 桥梁抗倾覆验算有限元模型(加固后)

加固后的桥梁抗倾覆稳定性验算结果:

(1)支座反力验算。考虑作用基本组合,在车辆荷载左偏和右偏的工况下,单向受压支座均保持受压状态。各支点最小反力见表7和表8。

表7 作用基本组合(左偏)支点最小反力

表8 作用基本组合(右偏)支点最小反力

(2)抗倾覆稳定性系数。由表9和表10可知,按作用标准值计算,最不利布载横桥向的抗倾覆稳定性系数为3.3,大于2.5。

表9 结构最不利布载(左偏)横桥向抗倾覆稳定性系数

表10 结构最不利布载(右偏)横桥向抗倾覆稳定性系数

因此,采用增设桩柱改为多柱墩的方案,支座反力和抗倾覆稳定系数均满足规范要求。

4 结语

(1)对不同道路等级和荷载标准的桥梁,应结合桥梁原设计和结构状况,选择更符合实际营运状况的验算汽车荷载,并应重点计算桥梁的支座反力和上部结构的抗倾覆稳定系数。

(2)独柱墩曲线箱梁抗倾覆稳定性分析,除验算支座反力和桥梁抗倾覆稳定系数外,还应结合最新的桥梁设计荷载标准,验算最不利荷载下桥梁盖梁、桥墩、支座和基础的承载能力。

(3)在桥下净空不受限时,应优先考虑采用增大墩台支座间距、独柱单支承变多支承的加固措施,提升桥梁的抗倾覆能力。高独柱墩桥梁抗倾覆加固,可考虑将独柱单支承改为固结,并适当提升桥墩和基础承载力的加固措施。

(4)采用独柱墩改为多柱墩的加固方法,能够有效提升桥梁的抗倾覆能力。本文算例桥梁加固后横向内外侧的抗倾覆稳定系数分别为3.3和4.0,为加固前的1.73倍与1.48倍。