中间墩设置单支座的曲线桥梁抗倾覆性能分析及加固方案探讨

陈 宇

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110116)

2018年，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[1](JTG 3362—2018)正式颁布，规范中明确了桥梁抗倾覆稳定的计算方法。结合新规范对桥梁抗倾覆稳定计算的规定，对中间墩设置单支座的曲线匝道桥梁抗倾覆性能进行分析，并进一步对加固方案进行探讨。

1 工程概况

鞍山沈大高速腾鳌互通立交B匝道桥，桥梁宽8.5m，桥梁全长59.08m。桥梁位于半径R=120m的圆曲线及缓和曲线上，桥梁分跨线沿径向。桥梁孔径布置为(15+24+15)m，上部结构采用预应力混凝土连续箱梁，箱梁采用单箱单室断面，梁高为1.4m。下部结构采用圆柱式桥墩，墩高分别为5.20m和5.70m，桥台采用肋板式桥台，桥墩、桥台均钻孔灌注桩基础，桥梁平立面布置见图1、图2。支座布置为中间独柱墩顶设置单支座支承，中墩支座向曲线外侧沿径向设偏心10cm；梁端桥台上沿径向设置双支座，支座横向间距3.4m，桥台处和中墩处的桥梁横断面布置见图3、图4。

图1 桥梁平面布置图

图2 桥梁立面布置图

图3 桥台处桥梁横断面布置图 图4 中墩处桥梁横断面布置图

经现场检测，桥梁长度、跨径、桥面宽度、主要构件截面尺寸与原设计基本一致。依据《公路桥梁技术状况评定标准》[2](JTG/T H21—2011)，桥梁结构技术状况评定等级为2类。

2 桥梁抗倾覆性能分析

结合以往桥梁发生倾覆垮塌的案例，桥梁的倾覆垮塌过程表现为，单向受压支座依次脱离受压状态，箱梁的支承体系不再提供有效约束，箱梁扭转变形趋于发散，箱梁呈现横向失稳垮塌，桥梁支座和下部结构连带发生损坏。现场破坏形态表现为箱梁滑移、倾覆，甚至出现桥墩被推倒[3]。因此，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[1](JTG 3362—2018)4.1.8条明确规定，持久状况下，桥梁结构不应发生结构体系改变，并应同时满足下列规定：

(1)在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态。

(2)按作用标准值进行组合时，整体式截面简支梁和连续梁的作用效应应符合规范的要求，如式(1)：

(1)

式中：kqf—横桥向抗倾覆稳定性系数，取kqf=2.5；

∑Sbk,i—使上部结构稳定的效应设计值；

∑Ssk,i—使上部结构失稳的效应设计值[1]。

本桥使上部结构稳定的荷载效应为永久作用，主要为上部结构重力，并考虑预加力和混凝土收缩徐变作用；使上部结构失稳的荷载效应为汽车荷载。分析计算采用空间有限元分析程序Midas2020，采用梁单元进行建模分析，正确模拟结构的质量分布，按原设计输入预应力钢筋的布置和支座布置，汽车荷载采用公路-I级，横向按两车道沿曲线外侧进行不利布载，并考虑汽车的冲击效应。结构计算模型如图5所示。

图5 连续梁纵向计算模型

依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[1](JTG 3362-2018)第4.1.8条及条文说明，0号台和3号台设置的双支座处受力较为不利，其曲线内侧支座易出现脱空，且整体抗倾覆稳定性较差，计算分析结果如表1。

表1 加固前抗倾覆性能分析(单位：kN)

由表1计算结果可以看到，梁端内侧支座受力较为不利，但均未出现脱空；0号台处按规范计算的抗倾覆稳定系数为1.6，小于2.5，不满足规范要求，需进行加固处理。

3 桥梁加固方案探讨

3.1 加固设计原则

结合规范的规定，对桥梁的倾覆垮塌机理进行了深入的剖析，提出箱梁桥的倾覆防控措施从改变结构的破坏模式、提高结构稳定性能和设施冗余约束三个方面考虑，具体有以下三种倾覆防控措施：

(1)将跨中单支座支承体系改为墩梁固接体系。

(2)将跨中独柱墩单支座支承体系改造为多支座支承体系。

(3)设置限位构造、抗拔装置。

对既有桥梁抗倾覆综合处置时，宜按照“不显著改变结构受力体系、不显著增加工程建设费用”的原则优先对其加固，同时加固方案应以“安全、经济、美观”为原则，考虑桥梁的功能性要求、施工可实施性、检测养护要求和景观要求等，进行多方案经济技术比较后确定[3]。

加固改造方案应尽量保持原结构体系不变；采用原有独柱单支座桥墩改造，如独柱单支座体系改为横向多支座体系(多柱式或独柱双支座式结构)；或采用原有过渡墩或桥台及相应构造改造，如墩台拼宽、端横梁改造、增加限位挡块等[3]。

3.2 加固设计方案选用

本桥桥下空间不受限制且方便进行加固施工，可以采用上述的各种加固措施。但是桥墩较矮，若采用加固措施一改造为墩梁固结体系，首先是改变了结构的受力体系，桥梁上下部结构的受力状态均发生较大改变，尤其墩梁固结后桥墩的受力变得更加不利。而且，将整体结构加固改造成为墩梁固结体系，实施难度也较大，不宜采用措施一。

采用措施二由于桥宽较小，不便在既有桥墩两侧新增桥墩，但是可以在既有中墩墩顶增设盖梁，将跨中独柱墩单支座改造为多支座支承体系，此方案并不显著改变结构的受力体系，但是有效地改善了结构的抗倾覆性能。同时，可以在梁端桥台处的箱梁和桥台间增设限位设施，为防止桥梁倾覆再增加一重保险。

根据以上分析，本桥采用以下具体加固改造方案：在1、2号墩顶增加钢盖梁，采取有效措施保证钢盖梁和既有桥墩的有效连接。不改变既有桥梁上下部支座连接的前提下，在原桥支座两侧横向各增加一个支座，支座距原支座横向间距0.9m，新增支座仅为改善桥梁的抗倾覆性能，恒载作用下支座不受力，仅在汽车荷载作用下参与受力。同时，在0、3号桥台两侧与梁体之间增加抗倾覆限位装置。

按照上述方案在中墩增设支座转换为多支座支承体系，重新对桥梁的抗倾覆性能进行计算分析，结果见表2。

表2 加固后抗倾覆性能分析(单位：kN)

对比加固前表1和加固后表2的结果可以发现，恒载作用下的支座的受力未发生改变，但在汽车荷载的不利作用下，0、3号台处曲线内侧支座受力情况得到极大改善，荷载组合后的支座压力储备明显增大，支座更加不易出现脱空；同时，增加支座后有效地改善了桥梁的抗倾覆性能，抗倾覆安全系数得到提高，能够满足规范的要求。

3.3 管理维护建议

桥梁倾覆过程主要表现为单向受压支座的依次脱空，最后出现桥梁的整体倾覆垮塌。因此，管理单位可以通过计算和检测对有潜在倾覆风险的桥梁进行危险性分级，从而有针对性加强观测，尤其加强对桥梁支座使用情况的观测，观测其使用过程中是否出现脱空的受力状态和是否出现破损情况，发现异常后立即采取有效措施进行处理。

4 结论

中间墩设置单支座支承体系的曲线桥梁，箱梁在汽车荷载的作用下处于弯剪扭的复合受力状态，支座易出现脱空，且桥梁整体抗倾覆性能差，存在安全隐患，应采取有效措施进行加固处理。将中间墩的单支座支承体系改造为多支座的支承体系，能够调整支座的受力状态，改善桥梁的整体抗倾覆性能，是此类桥梁加固处理措施中的一种有效方法。