王宇琪

(遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展對交通運輸行業(yè)的安全發(fā)展提出了更高要求，業(yè)內(nèi)對連續(xù)梁橋抗傾覆穩(wěn)定設計及驗算日趨重視，國內(nèi)正式頒布的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362-2018)(以下簡稱《新規(guī)范》)也針對橋梁抗傾覆驗算的計算方法進行了較大調(diào)整[1-2]。

連續(xù)梁橋獨柱墩設計成為橋梁側翻事故中被廣泛關注和探討的焦點之一，在道路線形、立交凈空等各種限制因素影響下，小半徑曲線橋梁及獨柱墩設計常被采用，近些年在進行新建橋梁設計時，盡管已盡量避免采用單支點支撐體系，但對既有單支點支撐連續(xù)梁橋的抗傾覆穩(wěn)定驗算及加固設計也變得尤為重要。

1 橋梁抗傾覆設計原理

正式頒布的《新規(guī)范》關于抗傾覆穩(wěn)定性的內(nèi)容與《征求意見稿》中有較大調(diào)整，《征求意見稿》中，取梁體最易發(fā)生傾覆的兩支點連線作為傾覆軸進行計算；《新規(guī)范》采用2個特征狀態(tài)作為抗傾覆驗算工況，特征狀態(tài)1為在作用基本組合下，單向受壓支座開始脫離受拉；特征狀態(tài)2為箱梁的抗扭支承全部失效，結構處于受力平衡或扭轉(zhuǎn)變形失效的極限狀態(tài)；在進行支座脫空驗算時，《新規(guī)范》采用作用組合由標準組合提升為作用基本組合；《征求意見稿》中抗傾覆計算僅考慮汽車荷載，而《新規(guī)范》中要求同時考慮汽車荷載、風荷載、溫度荷載等所有可變作用[3]。

對既有橋梁進行抗傾覆穩(wěn)定驗算須滿足《新規(guī)范》要求，支座不得出現(xiàn)負反力處于脫空狀態(tài)，且抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求?？箖A覆穩(wěn)定系數(shù)的計算公式如下：

其中，kqf為橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；∑Sbk,i為使上部結構穩(wěn)定的效應設計值；∑Ssk,i為使上部結構失穩(wěn)的效應設計值[1]。

2 橋梁抗傾覆設計示例

2.1 工程概況

某高速公路互通式立交匝道橋，梁頂板款9.60m，橋面凈寬8.50m，橋梁全長為256.0m，本橋平面處于緩和曲線及半徑為200m的圓曲線內(nèi)。上部結構采用(3×25+4×25+3×25)m預應力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁采用單箱單室斷面，梁高1.4m。下部結構采用肋板臺樁基礎、柱式墩及Y墩樁基礎，其中第二聯(lián)4#～6#墩設置連續(xù)單支座，匝道橋單支點橫斷面圖及支座平面布置圖如圖1、圖2所示。

圖1 匝道橋單支點橫斷面圖

圖2 第二聯(lián)支座平面布置示意圖

2.2 加固措施

針對本橋抗傾覆加固設計，采取了如圖3所示加固措施。該橋4#墩～6#墩為獨柱墩，考慮其中5#墩如若采取加固措施后，侵占建筑限界，本橋處理4#、6#墩。即在4#、6#橋墩墩頂增設混凝土蓋梁，在單支座兩側設置板式橡膠支座，當梁體承受巨大偏載有傾覆傾向時，新增支座受壓起到抗傾覆作用，提高結構橫向抗傾覆穩(wěn)定性。

圖3 獨柱墩處理示意圖

2.3 原結構抗傾覆驗算

如圖4所示，利用《橋梁博士V4.2.0》建立有限元計算模型，按照實際結構形式進行建模，計算在自重、二期、預應力等永久作用下各支座豎向支反力，在車道偏載作用下各支座最不利反力及每個支座產(chǎn)生最不利反力時其余各支座相應并發(fā)反力值，計算結果如表1所示，進行支座脫空驗算及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算，計算結果如表2、表3所示。

圖4 匝道橋橋梁博士計算模型

表1 原橋抗傾覆驗算(豎向支反力匯總)

表2 原橋抗傾覆支反力驗算(特征狀態(tài)1)

表3 原橋抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)驗算(特征狀態(tài)2)

從上述表中可以看出，原設計該橋的支座脫空驗算及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)驗算均不滿足《新規(guī)范》要求，在車道偏載作用下，內(nèi)側支座3-2、7-2支反力為-137.6kN、-135.18kN，產(chǎn)生拉應力，支座脫空，結構抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為1.40小于規(guī)范要求2.5，可見原設計結構有傾覆風險，需要加固。

2.4 加固后抗傾覆驗算

根據(jù)《新規(guī)范》，對加固后匝道橋的抗傾覆穩(wěn)定性進行驗算，驗算結果如表4～表6所示。

從表4～表6中可以看出，采取加固措施后，支座脫空驗算滿足要求，中支座橫橋向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)提高到5.86和5.91，滿足新規(guī)范中對抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的要求。說明本橋加固方案合理有效，提高了其抗傾覆穩(wěn)定性能，且具備一定安全儲備。

表4 加固后結構抗傾覆驗算(支反力匯總)

表5 加固后結構抗傾覆支反力驗算(特征狀態(tài)1)

表6 加固后結構抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)驗算(特征狀態(tài)2)

3 橋梁抗傾覆穩(wěn)定性影響因素分析

橋梁結構發(fā)生傾覆的實質(zhì)是在車道偏載作用下，梁體圍繞軸線產(chǎn)生橫向轉(zhuǎn)動，此時梁體自重作為有利荷載參與抗傾覆[4-5]。通過模型計算，分析平曲線半徑、邊支座間距以及單支座預設偏心位置對小半徑曲線梁抗傾覆穩(wěn)定性的影響[6-7]。

3.1 平曲線半徑的影響

對于小半徑曲線橋梁，不同曲線半徑直接影響橋梁結構內(nèi)外側恒載差，在汽車、溫度、風載等活載作用下，曲線半徑對結構橫向抗傾覆穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響。利用橋博模型，分別對邊支座間距為4.4m和4.0m的直線橋、平曲線半徑R為400m、350m、300m、250m、200m、150m、100m的主梁結構進行支座脫空驗算及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算?？箖A覆穩(wěn)定性系數(shù)隨曲線半徑變化如圖5所示。

圖5 抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)隨曲線半徑變化圖

從圖5中可以看出，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨曲線半徑呈拋物線變化，當支座間距為4.4m時，增大半徑后抗傾覆系數(shù)由0.41提高到1.94，當邊支座間距為4.0m時，抗傾覆系數(shù)由0.22提高到1.73，曲線半徑較小時，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著曲線半徑減小快速降低。顯然對于小半徑曲線梁，半徑越小，傾覆風險越大，直線橋梁相對與小半徑曲線橋抗傾覆穩(wěn)定性更高，故在進行橋梁設計時，可以通過合理增大曲線半徑提高結構的抗傾覆穩(wěn)定性能。

3.2 邊支座間距的影響

分別對半徑R為200m、300m、400m時，邊支座間距為3.6m、3.8m、4.0m、4.2m、4.4m、4.6m、4.8m、5.0m的主梁結構進行支座脫空驗算及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算。不同半徑曲線梁支座脫空驗算結果如表7～表9所示，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)隨邊支座間距變化圖如圖6所示。

表7 支座脫空驗算隨邊支座間距變化表(R=200m)

表8 支座脫空驗算隨邊支座間距變化表(R=300m)

表9 支座脫空驗算隨邊支座間距變化表(R=400m)

圖6 抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)隨邊支座間距變化圖

從表7～表9中數(shù)據(jù)可以看出，對于半徑R為200m、300m、400m的曲線梁，當邊支座間距控制在5.0m、4.2m、3.8m以上時，支座脫空驗算即滿足規(guī)范要求，可見增大邊支座間距可以有效改善小半徑曲線梁支座脫空情況。從圖6可以看出，當邊支座間距由3.6m增大到5.0m后，對于曲線半徑R為200m的曲線梁，抗傾覆系數(shù)由1.01提高到1.71，系數(shù)增大0.70；對于曲線半徑R為300m的曲線梁，抗傾覆系數(shù)由1.35提高到2.06，系數(shù)增大0.71；對于曲線半徑R為400m的曲線梁，抗傾覆系數(shù)由1.53提高到2.25，系數(shù)增大0.72?？箖A覆穩(wěn)定系數(shù)隨邊支座間距增大基本呈線性，增大值隨半徑增大略有提高?？梢娫谶M行小半徑曲線橋梁結構設計時，可以通過合理增大邊支座間距來提高結構的抗傾覆性能。

3.3 單支點支承偏心設置的影響

分別對半徑R為200m和400m時，單支座設置偏心位置距梁中心線距離為0(不設偏心)、0.25m、0.5m、0.75m、1.0m、1.25m、1.5m的主梁結構進行支座脫空驗算及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算。計算結果如圖7所示。

圖7 抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)隨設置偏心位置變化圖

從圖7中可以看出，當曲線半徑R為200m時，增大偏心設置后抗傾覆系數(shù)由0.95提高到1.40，系數(shù)增大0.45；當曲線半徑R為300m時，增大偏心設置后抗傾覆系數(shù)由1.28提高到1.75，系數(shù)增大0.47；當曲線半徑R為400m時，抗傾覆系數(shù)由1.45提高到1.94，系數(shù)增大0.49?？箖A覆穩(wěn)定系數(shù)隨單支座偏心預設位置基本呈線性變化，系數(shù)增大值隨平曲線半徑增大而增大，故在進行小半徑曲線橋梁結構設計時，可以通過合理增大單支座預設偏心提高結構抗傾覆穩(wěn)定性。

4 結語

通過結合某獨柱墩加固工程實例進行建模計算，得出以下結論：

(1)對于既有單支撐橋梁，可通過增設支座進行加固，支座脫空及抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)驗算均可滿足《新規(guī)范》要求。

(2)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨平曲線半徑呈拋物線變化，曲線半徑較小時，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨曲線半徑減小快速降低。在進行小半徑曲線橋梁設計時，可通過合理增大曲線半徑提高結構的抗傾覆穩(wěn)定性能。

(3)調(diào)整邊支座間距可以改善支座脫空，結構抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨邊支座間距增大基本呈線性增大，增大值隨平曲線半徑增大略有提高。

(4)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨單支座預設偏心增大而線性提高，且提高值隨平曲線半徑增大而增大，可通過合理增大單支座預設偏心提高結構抗傾覆穩(wěn)定性。