独柱墩桥抗倾覆稳定性计算与加固

李 真

(甘肃恒路交通勘察设计院有限公司，甘肃 兰州 730050)

0 引言

独柱墩结构桥梁以其结构简单、占地空间小和适应性强等特点，广泛应用于城市桥梁、普通公路和高速公路中，尤其是在具有跨线功能的桥梁工程中应用最多[1].《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(下文简称预混规)》(JTG D62—2004)[2]及《公路桥涵设计通用规范(下文简称桥通规)》(JTG D60—2015)[3]仅规定横桥向的竖向支座不能脱空，对独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性并未提出具体要求.《预混规》(JTG D62—2012)讨论稿首次对桥梁的抗倾覆稳定性计算提出了具体要求，但在《预混规》(JTG D62—2018)规范提出了新的计算方法，证明了2012讨论稿所规定计算方法的局限性.

对于独柱墩抗倾覆稳定性分析方面，国内学者作了大量研究：黄志诚等以1座跨径为60 m的钢箱梁弯桥为例，通过有限元法分析了该桥的抗倾覆稳定性，研究结果表明，超载车辆靠曲线外侧行驶使得桥梁发生倾覆的可能性增大[4]；万世成等通过对国内外独柱墩桥梁抗倾覆稳定性研究成果的综述，说明了我国桥梁设计人员对桥梁的纵向受力非常重视，但对桥梁的横向受力考虑不足，并建议独柱墩桥梁抗倾覆稳定性计算中应考虑箱梁的畸变、弯扭和温度效应等因素的影响[5]；彭卫兵等通过桥墩、主梁和支座之间的相互关系，推导了独柱墩箱梁桥抗倾覆承载力的计算方法，并通过有限元非线性分析证明了该计算方法的正确性[6]；刘海宽等以1座高速公路独柱墩匝道桥为例，验算了其抗倾覆稳定性，提出了较新颖的加固措施，并验算了加固后桥梁的抗倾覆承载力[7].

以上研究成果对于桥梁抗倾覆稳定性的研究大多基于曲线梁桥，而对于直桥和斜交桥的抗倾覆稳定性的研究成果较少.在实际工程中，斜交桥梁桥台同侧支座的反力不相等，使得其抗倾覆稳定性计算结果不同于弯桥.因此，本文以2座弯桥、2座正桥和2座斜交桥梁为研究对象，分析了不同曲线半径、孔径组成及斜交角对独柱墩桥梁抗倾覆稳定性的影响，并提出了增设钢盖梁的加固方法，验算了加固后桥梁的抗倾覆性能和增设钢盖梁对桥梁整体受力的影响.

1 独柱墩抗倾覆稳定性计算理论

《预混规》(JTGD62—2018)将桥梁的抗倾覆稳定性验算分为2种特征状态：特征状态1为某单向受压支座失效；特征状态2为整联梁抗扭支座失效.而独柱墩桥梁的破坏本质为：偏心荷载作用下，由于支座的脱空，造成现有支座体系不足以提供有效的约束，主梁横向失稳.特征状态1验算即要求在永久作用组合下独柱墩桥梁单向受压支座不出现受拉状态.特征状态2验算采用倾覆稳定系数来表征独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性，其表达式为

∑Sbk,i/∑Ssk,i≥kqf=2.5，

(1)

∑Sbk,i=∑RGili，

(2)

∑Ssk,i=∑RQili，

(3)

式中：∑Sbk,i为独柱墩桥梁的稳定效应；∑Ssk,i为独柱墩桥梁的失稳效应；RGi为永久荷载作用下，编号为i的桥墩的失效支座的支座反力；li为编号为i的桥墩的有效支座到脱空支座的中心间距；RQi为可变荷载作用下，编号为i的桥墩的脱空支座的支反力.

由于独柱墩桥梁为超静定结构，因此采用精细化有限元模型计算其支座反力，从而计算倾覆稳定系数，评估独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性是最有效快捷的方法.

2 工程概况及有限元模型建立

本文共选取6座独柱墩连续箱梁桥，其中包括2座不同跨径的直桥、2座不同右偏角的斜桥和2座不同曲线半径的曲线桥，所采用的横断面布置形式一致，其横截面构造如图1所示，桥梁结构参数如表1所示，支座编号如图2所示.

(a) 桥墩处横截面

(b) 桥台处横断面图1 横截面构造(单位：cm)

表1 桥梁结构参数

图2 支座编号

通过有限元分析软件Midas Civil以梁单元模拟建立全桥精细化模型，边界条件采用支撑—弹性连接—刚性连接的方式进行模拟.为节约篇幅，仅列出6号桥的有限元模型，其有限元模型如图3所示.

图3 6号桥有限元模型

钢筋混凝土容重取26 kN/m3，验算荷载采用公路-Ⅰ级，验算过程考虑车道偏载作用和冲击系数，桥面铺装为16.8 kN/m，混凝土防撞护栏及防抛网为7.5 kN/m，整体升温为39 ℃，整体降温为32 ℃，温度梯度以《桥通规》的相关规定取用.

3 抗倾覆稳定性验算结果

为准确计算支座脱空时，其他支座的受力情况，调用Midas Civil软件中的“并发反力组”对偏心荷载作用下的支反力进行计算.特征状态1验算时各支座的支反力如表2所示(支反力向上为正).

表2 特征状态1验算结果

由表2可以看出：6号桥在恒载+1.4活载作用下支座未出现拉力，特征状态1验算满足规范要求，其余桥在恒载+1.4活载作用下支座均出现拉力，特征状态1验算均不满足规范要求.不同桥跨组合下的直桥，桥梁孔数越多，桥台处出现的最大负支座反力越大，即在实际工程中应尽量避免使用连续的独柱墩结构体系.相同孔径组合、不同右偏角桥梁，桥梁右偏角越大，桥台支座处产生的最大负支座反力越大，即对实际工程中右偏角越大的桥梁，更应该关注其抗倾覆稳定性.支座负反力和曲线半径呈反比，这是因为随着曲线半径的增大，箱梁的弯扭耦合效应减小，箱梁桥的抗倾覆性能增大.相同孔径组合下，斜交桥的特征状态1验算结果比直线桥和曲线桥更不利，且曲线桥抗倾覆稳定性最好.

现有研究结果表明，对于独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性验算，依旧有不少文献使用2012征求意见稿所规定的方法，其表达式为.

(4)

为进一步证明采用式(4)计算独柱墩结构桥梁的抗倾覆稳定性的不合理性，本文分别采用《预混规》(JTGD62—2018)和《预混规》(JTG D62—2012)讨论稿规定的计算方法，所得各桥梁特征状态2验算的倾覆稳定系数如表3所示.

表3 特征状态2验算结果

由表3可看出：6号桥在偏心车道荷载作用下的倾覆稳定系数大于2.5，满足规范要求；其他桥梁倾覆稳定系数均小于2.5，不满足规范要求.当桥梁结构体系为斜桥时，不同桥台相同侧支座的倾覆稳定系数不同；特征状态1与特征状态2验算结果随桥梁孔径、右偏角及曲线半径的变化规律不同.实际工程中，应当是在特征状态1满足规范要求的前提下再验算特征状态2下的抗倾覆稳定性.另外，2012讨论稿规定的计算方法显然高估了独柱墩结构桥梁的抗倾覆承载能力，这主要因为该方法忽略了倾覆过程中主梁、支座及其墩台的相互作用.

4 抗倾覆稳定性加固措施

针对独柱墩桥梁倾覆破坏的特征，常见的增大独柱墩箱梁桥的抗倾覆稳定性的防治措施有：①增大桥台支座横向间距，从而降低偏载作用下的负支反力RQi；②增大曲线半径，从而减小箱梁的弯扭耦合效应；③跨中设置具有抗扭作用的双支座支承，减小抗扭跨径；④增大边、中跨比，从而增大永久荷载作用下的端支座受压储备.由图1可看出，本文桥梁采用的扩大基础几何尺寸较小，若使用增设墩柱和增大墩柱截面的方法将单支座支承改为多支座支承的加固方法，必须在原有扩大基础边重建基础，这样不仅会扰动原有基础，还会侵占桥下空间，尤其是跨路段，对原有路面跨度的影响较大.因此，结合现场实际情况，最终采用增设钢盖梁的加固方法，如图4所示.由于6号桥抗倾覆稳定性满足要求，因而不予加固.

图4 增设钢盖梁立面(单位：cm)

经增设钢盖梁加固后，各桥的抗倾覆稳定性均满足规范要求，为节约篇幅，此处仅列出抗倾覆稳定系数最小的4号桥在加固后的抗倾覆稳定性计算结果，其加固后支座编号及计算结果分别如图5和表4所示.

图5 加固后支座编号

表4 加固后抗倾覆稳定性验算结果

为进一步验证所增设钢盖梁自身强度和其对桥墩和基础承载力的影响，使用Midas Civil建立钢盖梁、桥墩有限元模型如图6所示，使用ANSYS建立钢盖梁细部模型如图7所示.

图6 钢盖梁及桥墩有限元模型

图7 钢盖梁有限元模型

经计算桥墩仅产生竖向应力，墩身无弯曲应力，满足规范要求.基础无水平位移，新加钢盖梁后，支座等效偏心荷载作用下基础无倾覆风险.偏心车道荷载作用下盖梁的最大竖向位移为2.37 mm，小于L/400=5.74 mm，满足规范要求.

5 结论

1) 为减小独柱墩桥梁桥台处的最大负反力，实际工程中应避免采用连续的独柱墩结构体系.

2) 桥梁右偏角越大，抗倾覆稳定性越差.

3) 曲线半径与抗倾覆稳定性呈反比.

4) 相同孔径组合下，斜交桥的特征状态1验算结果比直线桥和曲线桥更不利，且曲线桥抗倾覆稳定性最好.

5) 增设钢盖梁可有效改善在役独柱墩结构桥梁的抗倾覆承载力.