独柱墩桥梁抗倾覆分析与加固研究

赵 帅,安于普,时广义

(1.吉林省交通科学研究所,长春 130012; 2.长春理工大学,长春 130013;3.吉林省建筑科学研究设计院,长春 130011)

0 引言

独柱墩桥梁因其外形美观、结构形式简单、桥下可利用空间大等优点被广泛应用于城市和公路的跨线桥或匝道桥中。单独支撑的桥墩由于上部空间受到限制,墩顶只能采用一个或两个间距较小的双支座,与横桥向双墩柱的桥梁相比横向稳定性差,车辆在超载、偏载的作用下,桥梁易发生横向倾覆事故。

近年来频发的独柱墩桥梁倾覆事故,使人民生命和财产受到危害,对社会造成了不良影响,因此独柱墩桥梁抗倾覆安全性分析与加固成为国内学者研究的热点问题。马玉荣等[1]提出了在偏心荷载作用下,4类独柱墩桥梁的破坏形式,计算了在4种车道、车辆偏载工况下,上部结构发生扭转变形,次边墩支座受力最大。同时根据上部结构稳定效应标准值和上部结构倾覆汽车荷载标准值,计算出了在4种工况下桥梁的抗倾覆稳定系数。李会驰等[2]根据匝道箱梁桥的倾覆机理,考虑了支座横向间距和抗扭跨径对倾覆系数的影响,从改变破坏模式、提高抗倾覆性能、设置冗余约束3个方面对箱梁匝道桥采取了有利的风险防控措施。彭卫兵等[3]根据独柱墩桥梁倾覆过程的破坏模式,提出了可以较好地模拟倾覆临界荷载的抗倾覆使用计算方法,作为独柱墩桥梁是否需要加固时计算其抗倾覆承载力的依据。JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[4]明确了基于箱梁受压支座脱空及整联箱梁抗扭支撑失效的两个状态作为抗倾覆验算的两种特征状态。美国各州公路和运输工作者制定的(AASHTO-2002)《美国公路桥梁设计规范》指出,结构应该有抵抗滑动、倾覆、转动、压屈及提离的能力,对连续梁桥多向活动支座竖向荷载提出了要求,但对独柱墩桥在偏心荷载作用下的倾覆稳定性未提出具体验算方法。

本文以JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中的支座反力法和稳定系数法的两种特征状态为理论依据,从独柱墩桥梁抗倾覆分析和抗倾覆加固角度出发,采用Midas/Civil有限元软件对一四跨现浇连续箱梁桥进行支座反力和整体抗倾覆验算分析,再采用设置抗拔约束装置、独柱墩墩顶增设盖梁等方式进行加固,最后验算了加固后结构体系抗倾覆系数的合理性,为今后独柱墩连续梁桥抗倾覆验算提供了参考。

1 典型结构形式破坏过程

发生倾覆的独柱墩桥梁基本采用整体现浇式箱型截面,在联端采用横向双支座(抗扭支座),联中采用横向单支座(点胶支座)的支撑体系。独柱墩桥梁上部结构倾覆过程主要表现为3个特征状态:首先是单向受压支座脱空,联端非偏载侧支座反力为0,单向受压支座依次脱离正常受压状态,开始退出工作;这导致抗扭支座全部失效,即横向双支座中仅1个支座有效,主梁失去对扭转变形的约束;由于支座依次退出工作,导致支承体系失效,有效支座位于同1条直线时,上部结构的支承体系不再提供正常有效约束,此时上部结构作为刚体失去静力平衡。

倾覆破坏事故中结构的破坏无明显预兆,猝然发生,危害极大。事故发生后主梁、桥墩的整体性能基本保持良好。

2 某独柱墩桥梁抗倾覆稳定性评估验算

2.1 工程概况

某四跨预应力混凝土跨线桥跨径组合为30 m+35 m×2+30 m,桥面全宽12.75 m,桥面铺装采用10 cm沥青混凝土+防水层+8 cm C50防水混凝土结构形式;主梁为单箱双室预应力混凝土现浇连续箱梁,采用C50混凝土浇筑;下部结构0#、4#台为双柱式桥台,1#、2#、3#桥墩为独柱墩且采用单支座,2#墩支座为固定支座,1#、3#墩支座为纵桥向单向可动支座。设计荷载为公路-Ⅰ级。

2.2 有限元模型

该桥为直线桥梁,采用Midas/Civil建立空间有限元模型,主梁采用梁单元模拟,全桥共104个节点,96个单元,移动荷载采用两车道右偏载。该桥模型为单梁模型,在移动荷载偏载时考虑主梁的薄壁效应,放大系数为1.15。主梁横截面尺寸及有限元模型如图1～2所示。

根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》[5]表4.1.1的相关规定及Midas/Civil程序验算结果,支座反力受压状态采用荷载组合工况为工况1～3,抗倾覆稳定系数验算采用荷载组合工况为工况4～5,具体荷载组合工况为

工况1:0.5×支座沉降+1.0×恒荷载+1.0×钢束二次+1.0×徐变二次+1.0×收缩二次+1.05×整体升温+1.05×梯度降温;

工况2:0.5×支座沉降+1.0×恒荷载+1.0×钢束二次+1.0×徐变二次+1.0×收缩二次+1.4×右偏载+1.05×整体升温+1.05×梯度降温;

工况3:0.5×支座沉降+1.0×恒荷载+1.0×钢束二次+1.0×徐变二次+1.0×收缩二次+1.4×右偏载+1.05×整体降温+1.05×梯度升温;

工况4:1.0×支座沉降+1.0×恒荷载+1.0×钢束二次+1.0×徐变二次+1.0×收缩二次+1.0×整体升温+1.0×梯度降温;

工况5:1.0×支座沉降+1.0×恒荷载+1.0×钢束二次+1.0×徐变二次+1.0×收缩二次+1.0×右偏载+1.0×整体升温+1.0×梯度降温。

(a)跨中截面

(b)支点截面图1 主梁横截面尺寸示意图/cm

图2 桥梁有限元模型

2.3 抗倾覆稳定性验算结果

通过Midas/Civil有限元软件对独柱墩桥梁采用支座反力法和稳定系数法进行验算,考虑受永久作用、汽车荷载及其他可变作用组合时各支座反力验算结果见表1,稳定系数见表2。

根据表1可知,该桥联端两侧抗扭支座在不同工况荷载组合下的反力区间为443.7～1 993.9 kN,由于可变作用的综合影响,最小支座反力出现在联端两侧非偏载侧抗扭支座。由表中工况2～3可知,移动荷载偏载是使非偏载侧抗扭支座压力减小的主要原因,在工况2作用下,0#台左侧支座和4#台左侧支座受压反力最小,分别为443.8 kN和443.7 kN。在不同工况作用下中间3个独柱墩支座反力区间为6 402.6～9 039.8 kN,固定支座反力要大于两侧单向移动支座反力,可变作用对1～3#独柱墩支座反力的影响较小(图3)。

根据Midas/Civil有限元软件的独柱墩倾覆计算理论,在移动荷载等可变作用影响下只有联端两侧抗扭支座对桥梁产生横向稳定弯矩和失稳弯矩。由表2可知,工况5由于移动荷载偏载等可变作用的影响使支座反力由受压状态逐渐减小为0,最后发展为受拉状态,此时非偏载侧支座依次脱空,逐渐退出工作,当联端两侧抗扭支座全部失效时(横桥向双支座仅偏载侧支座有效),主梁失去横向抗扭约束,因此倾覆稳定系数<2.5,不满足规范要求。

表1 不同工况作用下的各支座反力

表2 不同工况作用下的稳定系数

图3 不同工况下的各支座反力/kN

3 独柱墩桥梁加固设计及稳定性验算

该桥梁为四跨三独柱墩桥梁,独柱支撑较多,无法提供横桥向约束,车辆移动荷载等可变作用改变联端抗扭支座受力状态,导致支座失效,倾覆稳定系数不满足要求,桥梁存在倾覆隐患。现分别采用增加抗拔约束装置与增加盖梁和支座两种方法进行加固,并通过Midas/Civil有限元软件验算其稳定系数是否满足规范要求。

3.1 增设抗拔约束装置

抗拔约束装置是设置在联端边墩或独柱墩与主梁之间的连接装置[6-7],对于容易发生倾覆事故的独柱墩桥梁,通过设置抗拔约束装置把主梁与桥墩连接在一起共同工作,当车辆偏载、超载作用于桥面时,抗拔约束装置会产生一定的拉力,避免出现倾覆事故。抗拔约束装置加固效果如图4所示。此加固方案的优点是抗拔销装置构造简单,工程规模较小,施工方便,几乎不影响桥上正常交通;缺点是不利于可变作用工况,抗拔销受力大,构造设计难度大,仅适用于所需拉力较小的情况。

图4 增设抗拔约束装置示意图

在所有桥墩与主梁之间设置抗拔约束装置,约束所有桥墩支座节点的横桥向弯矩,有限元模型如图5所示,不同工况作用下全桥支座反力的验算结果见表3,稳定系数的验算结果见表4。

图5 所有桥墩设置约束装置全桥有限元模型

由表3～4可知,在不同工况作用下所有支座均为受压状态,均通过支座反力验算。联端两侧所有支座稳定系数均>2.5,满足规范要求。因此增设抗拔约束装置可以限制主梁的横向转动能力,提高独柱墩桥梁的横向抗倾覆性能。

表3 不同工况作用下各支座反力的验算结果

3.2 增设盖梁和支座

在独柱墩顶部增设盖梁,两侧新增拉压支座,将原有的单支座调整为3个支座,可变作用由原支座与两侧新增支座共同承担,这种加固方式可以增加上部结构的扭转变形能力,从而改善独柱墩桥梁上部结构抗倾覆性能[8-9]。加固示意图如图6所示。

独柱墩墩顶增设混凝土盖梁,需要在混凝土盖梁内部施加横向预应力,通过植筋和横向预应力使新增盖梁与原独柱墩成为整体,协同抵御可变作用。全桥有限元模型如图7所示,不同工况作用下全桥支座反力的验算结果见表5,稳定系数的验算结果见表6。

表4 不同工况作用下稳定系数的验算结果

图6 增设盖梁和拉压支座示意图

图7 增设支座全桥有限元模型

表5 不同工况作用下各支座反力的验算结果

表6 不同工况作用下稳定系数的验算结果

由表5～6的验算结果可知,所有支座反力均为受压状态,新增支座及联端抗扭支座的稳定系数均满足规范要求。因此增加盖梁和支座的加固方式在提高独柱墩桥梁抗倾覆力矩的同时,也减小了由于车辆偏载作用产生的倾覆力矩,从而提高了独柱墩桥梁的整体抗倾覆能力。通过支座数量的增加,使支座反力在车辆偏载及超载作用下分布得更加均匀,避免了支座因承受拉力而产生的脱空现象,从而提高了桥梁结构的整体稳定性和抗倾覆性能。

4 结论

本文对一四跨现浇独柱墩连续箱梁桥进行抗倾覆稳定性分析,在稳定系数未通过验算的情况下采用不同加固方案后重新对支座反力、稳定系数等参数进行验算,得到结论:

1)采用Midas/Civil有限元软件对独柱墩连续梁桥进行支座反力及倾覆稳定系数验算,模拟实际结构在不同荷载组合工况及不同加固方案下的受力状态,计算结果准确,可以为加固后的独柱墩桥梁的倾覆稳定性提供理论依据。

2)在多独柱墩连续梁桥中,由于汽车荷载的偏心作用,联端抗扭支座因承受拉力而失效,独柱墩顶的单个支座受力很大,固定支座反力大于单向活动支座反力。承受汽车偏载的主梁受力状态为弯剪扭的组合,主梁、桥墩可能因复合受力状态下的承载能力不足而产生失稳或破坏。

3)独柱墩顶增设盖梁和支座及增设抗拔约束装置两种加固方式都可以提高独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性,采用前者加固后的独柱墩支座反力及稳定系数明显优于后者。增加盖梁和支座的加固方式很大程度减小了独柱墩顶单支座的受压承载力,同时3个支座共同承担汽车偏载使支座受力均衡,提高了桥梁的横向稳定性能及主梁的抗扭变形能力,可避免主梁因汽车偏心荷载而导致的横向倾覆。