独柱墩连续箱梁抗倾覆稳定验算及改造设计研究

武建军

（山西交控集团太旧高速公路分公司，山西 阳泉 030006）

0 引言

作为我国立交、匝道桥梁工程常见的一类桥梁形式，独柱墩连续箱梁桥具备造型美观、空间需求小等优点，但其横向抗倾覆问题比较突出。我国连续箱梁桥普遍采取单柱支承的设计，因此在上部偏心荷载作用下容易产生扭转与侧移，由此产生的变形是一类弹性体变形，在分析时不能简单地将其划归为刚体转动问题。

研究表明[1]，主梁扭转效应的提升将导致主梁、支座间的支承关系产生变化，支反力也将随之改变，导致桥梁一侧的支座处于脱空状态，在这种情况下荷载偏心另一侧两个支座的反力为零，甚至可能为负值，这一状态所对应的荷载水平就是梁的转动极限荷载。若后续荷载持续增长，主梁会不断向着偏心一侧支座偏移，导致主梁支承缺失，因此梁转动的轴线也将不再变化，此时即为结构的倾覆稳定极限状态，这一状态所对应的上部荷载水平就是梁倾覆的极限荷载。当结构变形不断积累直至一定程度，将无法再保持原有的静止平衡状态，会进入运动状态并产生倾覆破坏。针对结构体系变形、破坏的全过程，研究人员已经进行了大量的试验分析，并制定了与之相应的防治方法[2]。

本文将结合太旧高速公路武宿枢纽立交桥Q 匝道2号桥改造工程，针对独柱墩连续箱梁抗倾覆稳定性问题进行具体分析，以期为独柱墩的改造设计和桥梁工程安全性提升提供帮助。

1 工程概况

太旧高速公路武宿枢纽立交桥Q 匝道2 号桥为3×35m现浇预应力混凝土箱梁，单箱单室，桥宽8.5m。桥位平面位于R=168m 的圆曲线上，Q1, Q6为分联端，一端设置两个盆式支座，支座间距为3.2m；Q4,Q5号墩为独柱墩，墩顶设置盆式橡胶支座。图1所示为Q2匝道桥跨中横断面。

图1 Q2匝道桥跨中横断面（单位：cm）

Q5号墩位于太榆路中央绿化带，Q 匝道2 号桥与太榆路路线交角约为45°，Q5号墩设置钢盖梁会侵入太榆路建筑限界，影响太榆路过往车辆，存在较大安全隐患。

2 抗倾覆验算步骤及原则

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）[3]（以下简称“桥混规”），桥梁横桥向倾覆失稳（见图2）的基本特征为：上部结构采用整体式箱梁；结构体系为连续梁，上部结构由单向受压支座支承；桥台或过渡墩采用双支座或三支座，跨中桥墩全部或部分采用单支座。

图2 事故桥梁的典型形式

持久状况下，梁桥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在作用标准值组合下，整体式截面简支梁和连续梁的作用效应符合下式要求：

式（1）中：kqf为横向抗倾覆稳定性系数，取kqf=2.5；åSbk,i为使上部结构稳定的效应设计值；åSsk,i为使上部结构失稳的效应设计值。

事故桥梁的破坏过程表现为：单向受压支座脱离正常受压状态，上部结构的支承体系不再提供有效约束，上部结构扭转变形趋于发散、横向失稳垮塌，支座、下部结构连带损坏。桥梁横向倾覆失稳过程如图3所示。按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）要求对独柱墩桥梁横向抗倾覆稳定性（特征状态1和特征状态2）进行验算。

图3 事故桥梁典型破坏过程

验算原则：抗倾覆稳定验算的设计荷载取原设计荷载等级。荷载组合类型、组合分项系数、抗倾覆限值系数均按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）要求进行设定。

3 抗倾覆改造设计方案

综合考虑独柱墩桥梁的理论计算数据以及项目运营具体情况，设计工作应当在结构抗倾覆能力得到保障的前提下，尽可能提升其技术的科学性与合理性，使得项目始终处于稳定可靠的状态下，并将加固作业对正常交通运输的干扰限制在一个可接受的范围内。基于本项目具体情况展开分析，确定改造方法采用钢盖梁+抗拔销方案。

在原有单支承的基础上对桥墩进行改造，增设钢盖梁，以此来达到将墩顶的单支承变为双支承的目的，这也将改变原有主梁结构的受力体系，提升其抗扭转能力，有效降低横向倾覆发生的风险。同时，在原有主梁结构之上设置抗拔销装置，并将其与桥墩或桥台相连，以此来起到控制偏载对主梁扭转影响的作用，规避在发生支座脱空后，主梁由于体系变化可能出现的倾覆现象。边墩位置的梁端支撑采用双支承设计，而较小的支座间距往往难以起到预期的约束作用，在外界作用下支座可能处于受拉状态。适当增大边侧墩柱的盖梁，并在其两侧附加支座，可达到提升支座间距的效果，强化结构抗扭转性能。Q 匝道2 号桥改造设计图如图4所示。

图4 方案设计示意图

排查验算结果与改造后验算结果见表1。

表1 验算结果汇总表

在施工前应对连系梁进行反复验算，并借助有限元分析来判断结构的安全性，因此其设计难度一般较大。为保证结构稳定性，将变形控制在合理范围内，浇筑混凝土时应额外附加支撑。

4 有限元分析

4.1 有限元建模

利用Midas Civil 建立有限元模型进行抗倾覆稳定性分析，参数及有限元模型分别如表2和图5所示。

图5 Midas Civil有限元模型

表2 有限元建模参数

4.2 荷载组合

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018），特征状态1 验算时，荷载组合为：1.0×永久作用下支反力+1.4×失效支座对应最不利汽车荷载的标准值效应（偏载）。特征状态2验算时，RGki、RQki 按标准值组合取值，汽车荷载效应按各失效支座对应的最不利布置形式取值。

4.3 验算结果

Q2号匝道桥桥长105m，圆曲线半径为168m，可近似按直梁桥考虑，永久作用下产生的效应为使上部结构稳定的效应，可变荷载作用下产生的效应为使上部结构失稳的效应，依据式（1）提取永久及可变荷载作用下的支座反力及支座中心矩，可得到抗倾覆力矩和倾覆力矩，进而求得整体箱梁桥的抗倾覆稳定性系数。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）规定，求得Q 匝道2 号桥在仅Q4号墩设置钢盖梁的情况下，支座均不出现负反力，抗倾覆稳定性系数为3.44，大于2.5，满足规范要求。

4.4 结果分析

通过对Q 匝道2号桥Q4号墩设置钢盖梁后，桥梁的抗倾覆性能进行验算，得出以下结论：

（1）依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）关于抗倾覆性能的计算要求，在本报告的荷载和荷载组合下，桥梁整体式箱梁支座均不出现负反力；

（2）整体式箱梁抗倾覆稳定性系数大于2.5，满足规范要求。

5 改造效果分析

根据上文对各方案的分析可发现，独柱墩连续箱梁在进行加固时需结合项目实际情况，预先进行全面的地质勘测、资料收集等，以此来评价原有桥梁结构状态。此外，还需明确净高、净宽等工程基本参数，以此来选择最佳的技术方案与施工计划，淘汰其中适用性较低的方案。对于初步选定的加固方案还应借助有限元软件完成模拟，研判其可行性。曲线桥梁还应特别注意内外侧腹板长度的差异[4]。

灵活应用和组合上述几种构造形式，结合原桥技术指标、运营现状、施工条件、场地条件、工程造价和方案整体协调性等综合考虑独柱墩抗倾覆稳定性改造，得出本次独柱墩连续箱梁抗倾覆稳定改造设计方案为：采用钢盖梁+抗拔销方案。排查验算结果与改造后验算结果如表3所示。

表3 排查验算结果与改造后验算结果

6 结语

本文基于太旧高速公路武宿枢纽立交桥Q 匝道2 号桥改造工程，针对独柱墩连续箱梁桥完成了力学验算，判断结构抗倾覆能力是否满足要求。计算结果显示，其各项参数均符合现行规范标准。在开展加固改造工作时，首先分析了导致倾覆的主要因素，并提出了增设盖梁、抗扭拉装置等方法来提升横向约束作用效果和桥梁的抗倾覆能力，使得结构安全性与稳定性得到保障。