独柱墩桥梁在偏载荷作用下抗倾覆验算及处理措施

李 辉

(广州市凤凰山隧道建设有限公司, 广州 510535)

由于独柱墩桥梁具有占地少、复杂场地适应性强等优点,目前在国内外城市立交、公路跨线工程等领域应用广泛[1]。然而随着交通运输量不断增加,车辆超载过桥导致桥梁倒塌的事故屡有报道,造成严重的人员伤亡和社会影响[2-4]。彭卫兵、吉伯海、熊文等[5-8]统计了近年来国内外此类事件,198座桥梁安全事故原因分析显示:因车辆超载导致事故发生的比例为 11. 2%,其中因车辆超载引起的桥梁梁体倾覆占超载引起事故的45.5%。随着桥梁横向倾覆事故的增多,对桥梁抗倾覆分析与加固研究也越来越多。目前国内外桥梁设计规范中对桥梁抗倾覆均有要求,如《日本道路桥示方书-同解说(2021共通编)》中将活载与恒载组合后的最小反力作为横向抗倾覆的控制依据。在计算支座反力时,活载效应取2倍的系数[9]。美国AASHTO《桥梁设计规范》[10]限定了独柱墩支座最小竖向反力与支座承载力的比值。该规范指出:结构为一个整体或构件时,都应使其具有抵抗滑动、倾覆、分离或压曲的能力,在分析和设计中应考虑荷载偏心距的影响,并对连续结构的最小支座数量进行限制。我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)[11]写明了抗倾覆稳定系数的最小不得低于2.5。各国在独柱墩桥梁抗倾覆方面均有研究﹐但桥梁横向倾覆机理异常复杂,各国在超载车辆偏载作用下桥梁抗倾覆受力研究还处于初级阶段。现有规范中桥梁倾覆的计算方法及安全系数主要以工程经验为主,仍需开展系统、深入的研究工作[12],以减少独柱墩桥梁横向倾覆事故发生。为此,本文以黄麻互通A匝道1号桥为例,针对其在偏载作用下存在抗倾覆能力不足问题,采用了将独柱单支承改为多支承的措施提高其抗倾覆能力,并通过加固前后抗倾覆能力对比,供其他类似独柱墩抗倾覆验算和加固工程参考。

1 工程概况

广州市凤凰山高速公路呈东西走向,是粤港澳大湾区连接广州市和东部地区的重要交通动脉,位于其中部的黄麻互通A匝道1号桥第2联存在3个连续的独柱墩,且该区间段上跨交通量巨大的广汕公路,为更好保证桥梁的安全性,将对区间段桥梁进行更高安全性的抗倾覆验算。黄麻互通A匝道1号桥桥梁中心桩号为AK0+482,桥跨组合为(25+2×28.5+2×25)m,桥长132 m。上部结构采用部分预应力混凝土连续箱梁,混凝土为C50,桥墩采用柱式墩混凝土为C40,基础均采用钻孔灌注桩,混凝土为C30。该桥原设计为单向双车道,设计荷载等级为公路-Ⅰ级,桥梁宽度10.5 m。其中,预应力混凝土现浇梁的4#、5#、6#墩采用独柱墩(墩柱直径1.6 m)。

2 抗倾覆验算

2.1 荷载取值

1) 一期恒载为梁部自重。混凝土容重取26 kN/m3,箱梁按实际断面计取重量。

2) 二期恒载包括沥青混凝土铺装(混凝土铺装)+2道混凝土防撞护栏,铺装层仅作为恒载施加,不参与结构受力。

3) 活载及车道荷载偏载作用布置。本桥为弯桥,桥宽10.5 m,原设计为2车道,为计算桥梁在大车流偏载情况下承载能力,对桥面布设3个车道,汽车荷载采用公路-Ⅰ级荷载 。

4) 离心力:当弯道桥的曲线半径等于或者小于250 m时,应计算汽车荷载引起的离心力。汽车荷载离心力标准值为车辆荷载(不计冲击力)标准值乘以离心力系数C[13]。离心力系数计算:C=V2/(127R)。

5) 强迫位移及温度力:支座沉降5.0 mm。桥梁体系整体升温25 ℃;桥梁体系整体降温25 ℃。

2.2 建立计算模型

黄麻互通A匝道1号桥第2联4#墩采用单支座独柱式圆形墩,5#和6#桥墩为墩梁固结独柱桥墩,3#、7#和8#桥墩为独柱双支座过渡墩,桩径均为1.5 m,实际布置平面见图1。结合现场实际采用桥梁空间计算软件Midas Civil 进行计算,建立空间梁单元模型,按实际结构模拟曲线梁、车道布置、支座位置及刚度等,支座通过弹性连接来模拟,墩梁固结通过刚性连接来模拟,见图2。

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图2 计算模型

2.3 结构验算原理

本桥为弯桥,最不利情况为外侧偏载情况。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)[11],在持久状况下,梁桥不应发生结构体系改变,将采用2个特征状态作为抗倾覆验算工况:

1) 针对特征状态1,作用基本组合下,箱梁的单向受压支座处于受压状态;

2) 针对特征状态2,采用“稳定作用效应≥稳定系数×失稳作用效应”的表达式。

箱梁桥处于特征状态2时,各个桥墩都存在一个有效支座。稳定效应和失稳效应按照失效支座对有效支座的力矩计算。

3 受力验算及结论

3.1 受力验算过程

作用基本组合下,3#-1支座、3#-2支座、4#支座、5#支座、6#支座、7#-1支座、7#-2支座、8#-1支座、8#-2支座的最小反力值分别为-674.7 kN、171.8 kN、5 426.9 kN、5 663.5 kN、5 121.2 kN、1 542.9 kN、1 868.4 kN、68.8 kN、767.7 kN。可知3#-1支座(桥墩处内侧支座)出现负反力,不满足特征状态1要求。根据交通运输部《公路危旧桥梁排查和改造技术要求》附录C.1.2,对不满足支座脱压验算的桥墩,需对支承反力重分布的盖梁、墩柱、基础(地基)和支座进行承载力验算。同时应开展固结墩墩顶、墩底、墩身截面尺寸与配筋变化处等的承载力验算。

将该联支座反力重分布后,各支座承载力验算如表1所示。由表1可知,各支座反力均小于支座承载力,因此,独柱墩的原设计支座型号选取合理。

表1 支座承载力验算结果

按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)[11]8.4.7条独柱墩墩帽拉压杆模型计算方法对3#、7#和8#立柱墩帽验算,结果如表2所示。表2显示,标准组合下安全系数均大于2.5,墩帽承载力均满足要求。

表2 墩帽承载力验算结果

采用Midas Civil任意截面设计器计算5#、6#桥墩截面抗弯承载力,弯矩-曲率见图3。图3表明,2个桥墩的截面等效屈服弯矩为12 723 kN·m。根据Midas Civil计算,5#、6#固结墩验算结果如表3所示。

表3 桥墩承载力验算结果

图3 弯矩-曲率

表3结果表明,标准组合下,5#、6#桥墩弯矩内力均小于抗弯承载力,且安全系数均大于2.5,其承载力满足要求。

本桥桩基础原设计均采用嵌岩桩,承载力富裕量大,偏载影响有限,桩基承载力仍可满足要求。

3.2 验算结果

按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)[11]4.1.8第1条计算,本桥3#桥墩内侧支座出现脱空,不满足特征状态1要求。为防止该区间段独柱墩桥梁在多车辆偏载情况下出现倾覆的安全隐患,需采用合理的方案来消除3#桥墩内侧支座出现脱空的问题,以全面提高桥梁的安全通行能力。

4 处理措施与桥梁受力复核验算

4.1 处理措施

根据黄麻互通A匝道1号桥第2联上跨的广汕公路车流实际情况和各立柱周边环境的施工难度,采用了对4#桥墩处增设钢盖梁,将单支承改为多支承的方案[14]。具体措施:在4#桥墩墩顶增设长4.3 m、高1.8 m的钢结构盖梁,通过锚栓将钢盖梁与混凝土柱进行连接形成整体,盖梁顶两侧增设支座,新增支座与原支座间距为1.5 m,见图4。

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4.2 桥梁受力复核验算

1) 在偏载情况4#墩钢盖梁左侧支座起作用时,在基本组合下,3#支座内侧最小支反力为453 kN,大于0;且其余墩柱的最小支反力均大于0,没有出现负反力,桥梁整体抗倾覆验算满足特征状态1要求。

2) 在偏载情况4#墩钢盖梁右侧支座起作用时,在基本组合下,3#支座内侧最小支反力为190.7 kN,大于0;且其余墩柱的最小支反力均大于0,没有出现负反力,桥梁整体抗倾覆验算满足特征状态1要求。

3) 4#墩增加新盖梁后,4#墩、5#墩和6#墩在标准组合下的弯矩分别为4 966.8 kN·m、4 052.3 kN· m、1 461.1 kN·m,抗弯承载力安全系数分别为2.6、3.1和10.2,均满足规范要求。

4.3 加固处理前后桥梁抗倾覆能力对比

验算结果表明,增加钢盖梁及支座后,3#-1支座处的反力由-674.7 kN变为190.7 kN,该方案有效消除了3#-1支座为负反力的问题,其他支座反力基本未受影响。5#墩和6#墩抗弯承载力安全系数分别由2.87和8.7提高到了3.1和10.2,黄麻互通A匝道1号桥第2联桥梁抗倾覆验算满足要求,抗倾覆性能得到了提升。

5 结束语

1) 针对在偏载作用下案例独柱墩桥梁存在的抗倾覆性能低的问题,采用数值建模并对该类独柱墩桥进行抗倾覆验算,3#-1墩支座最小反力为-674.7 kN,不满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)中规定的“作用基本组合下,箱梁的单向受压支座处于受压状态”的抗倾覆验算要求。

2) 采用在4#桥墩顶部增设钢盖梁,将独柱单支承改为多支承的措施,解决了3#-1墩支座在偏载作用下会出现支座脱空的问题,并采用桥梁空间计算软件Midas Civil 对加固后的4#～6#桥墩进行了验算,弯矩分别为4 966.8 kN·m、4 052.3 kN·m、1 461.1 kN·m,安全系数分别2.6、3.1和10.2,满足规范要求。

3) 案例应用表明,独柱单支撑改为多点支撑方案可有效解决支座脱空问题,并能提升桥梁的抗倾覆性能,为以后独柱墩抗倾覆验算和加固提供了一个成功案例。