桥梁结构加固设计安全性分析

李 铮，林 波

（1.江西省抚州赣东公路设计院，江西 抚州 344000；2.江西省抚州市交通局质监站，江西 抚州 344000）

0 引言

某高速主线跨径布置为（22＋19.3＋19.3＋22）m预应力砼连续箱梁桥，平面位于A—135的左偏缓和曲线及R＝150m的左偏圆曲线上，满堂支架整体现浇施工。桥梁箱梁顶板横向宽10.5m，箱底宽3.5m，翼缘悬臂长2.0m，箱梁梁高1.5m，顶底板厚25cm，腹板从跨中至横梁部位从50cm过渡到70cm；箱梁中支点设2.0m宽的中横隔梁，梁端设1.5m宽的端横隔梁。

鉴于本桥运营阶段可能出现的支座脱空情况，着重考虑通过支座的间距调整及偏心支座的设置解决支座脱空问题。2号桥墩布置于高速公路中央分隔带区域，受空间限制采用了独柱墩单支座的形式。上述计算结果也显示该支座规格满足要求，故加固试算过程按2号桥墩支座布置不变进行计算。1号、3号桥墩横桥向宽度仅2.5m，没有继续加大双支座间距的空间，但可考虑采用偏心单支座。0号、4号桥台支座间距布置主要受箱梁横梁的受力要求控制，其余影响因素较少。

1 结构计算离散图

本桥加固方案可利用桥台支座间距的调整及1号、3号桥墩单支座偏心的设置改善结构受力，避免支座脱空。经过调试计算，0号、4号桥台支座间距调整为4.2m，1号、3号墩支座向外圆弧侧偏心0.45m，则桥台内外侧支座均未出现负反力。为使支座横桥向受力满足要求，1号、3号墩横向按约束、活动分别计算，主梁离散为空间梁单元，采用MIDAS进行计算分析。

钢绞线：Φs15.2低松弛预应力钢绞线，标准强度fpk＝1860MPa，弹性模量Ep＝1.95×105MPa，锚下控制张拉应力σcon＝0.75×fpk＝1395MPa，锚具变形与钢束回缩值（一端）ΔL＝6mm，管道摩阻系数μ＝0.25，管道偏差系数κ＝0.0015。一期恒载：按实际断面尺寸计重量，箱梁混凝土容重按26kN／m3取值，横隔梁按集中力施加在结构上，考虑内外弧不等长引起的自重均布扭矩为7.46kN·m／m。二期恒载：沥青砼22.8kN／m，钢护栏按单侧7kN／m，二期恒载合计36.8kN／m，考虑内外弧不等长引起的二期恒载均布扭矩3.19kN·m／m。计算支承反力考虑公路—Ⅰ级、1.3倍公路—Ⅰ级、55t重车三种工况，结构承载力、抗裂验算等按公路—Ⅰ级计算。体系升、降温作用按照＋25℃，－25℃考虑取值；梯度温差按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）4.3.10条规定的梯度温度计算，日照正温差T1采用14℃，T2采用5.5℃，日照反温差T1采用-7℃，T2采用-2.75℃。

考虑到国内匝道上弯桥，频频出现的超载、倾覆事故，本桥汽车荷载取值考虑如下三种状况：

a）按规范标准车道荷载验算结构极限承载力和正常使用极限状态；

b）按规范标准1.3倍车道荷载验算支点反力；

c）按规范标准1.2倍55t车辆、前后车辆轮距10m荷载验算支点反力。

主梁结构离散如图1所示。

图1 主梁结构离散图

结构离散为58个单元，68个节点，其中第52～58、65、67节点为支承节点。节点约束情况按设计图纸的支座布置一致，中墩为独柱固定约束、边墩及桥台为横向间距1.5m的双支承，纵向均为活动，内弧横向为约束，外弧横向释放，所有支承未设横向偏心。

2 计算结果分析

2.1 支承反力分析

通过对桥梁运营阶段最大／最小支座反力计算分析可知，圆弧内侧支座在三种工况下均可能出现负反力，即在运营阶段活载作用下可能出现支座脱空现象。同时，1号、3号墩支座设计规格为GPZ（Ⅱ）4.0DX／SX，不满足受力要求，支座横向水平力过大，远远超过10%支座竖向承载力。因此，有必要对本桥支座设置进行调整，具体方案详见加固计算报告。

2.2 上构箱梁持久状况承载能力极限状态计算

如图2～图5所示，箱梁在使用阶段正截面抗弯承载力的计算结果显示，所有截面正截面抗弯承载力满足规范要求。箱梁在使用阶段斜截面抗剪承载力的计算结果显示，上构箱梁在使用阶段斜截面抗剪承载力满足规范要求。箱梁在使用阶段抗扭承载力的计算结果显示，上构箱梁在使用阶段抗扭承载力满足规范要求。

2.3 上构箱梁正常使用极限状态计算

箱梁在正常使用极限状态下正截面压应力计算，规范限值：σkc+σpt≤0.5fck=16.2MPa。经计算，使用阶段箱梁正截面最大压应力为10.6MPa（28号节点），规范限值不超过0.5fck＝16.2MPa，满足规范要求。箱梁在正常使用极限状态下混凝土主压应力计算，规范限值：σcp≤0.6fck=19.44MPa，使用阶段箱梁斜截面最大主压应力为10.6MPa（28号节点），规范限值不超过0.6fck＝19.44MPa，满足规范要求。

对箱梁正截面抗裂计算，A类预应力混凝土构件计算，结构短期效应组合下应力应满足：

使用阶段主梁各单元在短期效应组合下最大拉应力为1.2MPa（梁端1号、50号节点），在长期效应组合下没有出现拉应力，满足规范A类预应力混凝土构件要求。

2.4 箱梁斜截面抗裂计算

按A类预应力混凝土构件计算，规范限值：σtp≤0.5ftk＝1.325MPa。 短期效应组合下，最大主拉应力为1.2MPa（梁端1号、50号节点），满足规范斜截面抗裂要求。短期状况应力计算主要对构件在预应力和自重等施工荷载作用下截面边缘混凝土的法向应力进行计算。

其中，计算抗压容许应力时取用的施工阶段混凝土的抗压强度标准值取′=0.8fck。

2.5 设计抗倾覆系数验算

根据本桥支座布置情况，考虑到旋转线外弧侧桥面面积越大越易倾覆，得出最不利发生倾覆线（如图6所示）应为1号墩外侧支座中心与2号墩支座中心的连线或3号墩外侧支座中心与2号墩支座中心的连线，由于本桥左右对称，故仅需验算其中一种。

图6 最可能倾覆线示意图

箱梁绕假定的最易倾覆的两个支点连线旋转轴，即将倾覆阶段，仅1号墩外侧支座及2号墩支座受力，计算模型在仅保留旋转轴上这两个支座，同时考虑到倾覆实际上就是向圆弧内外两侧的扭矩有差异而产生的，可在两支座连线中间施加一个抗扭约束，支座连线作为三个支座局部坐标轴中的X轴。通过查看该约束在恒载、活载等作用下的扭矩即可计算出结构倾覆和抗倾覆力矩，进而得到抗倾覆稳定系数。抗倾覆系数由向圆弧内侧的扭矩值／向圆弧外侧的扭矩值计算得出，计算表明结构整体抗倾覆稳定系数满足要求。

3 结语

经过对本桥梁的计算分析，结果表明圆弧内侧支座在三种荷载汽车荷载标准下均出现脱空。支座横向反力超过竖向承载力的10%，1号、3号墩外弧支座反力超过承载力。主梁正截面抗弯、斜截面抗剪、截面抗扭承载力满足规范要求。主梁正截面抗裂、斜截面抗裂满足规范关于A类预应力混凝土构件的要求。主梁正截面压应力、斜截面主压应力、钢束拉应力，均满足规范要求。施工阶段主梁截面法向压应力、拉应力均满足规范要求，表明对本桥梁采取的加固措施合理，可满足桥梁使用安全要求。

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