任永斌

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430000）

0 引言

獨(dú)柱墩橋梁往往具備多種路線(xiàn)形態(tài)，能夠極大地優(yōu)化局部公路交通通行環(huán)境，被廣泛應(yīng)用在公路匝道橋梁、城市立交中。車(chē)輛通行規(guī)模的增大促使人們對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求愈發(fā)嚴(yán)格，考慮到曲線(xiàn)獨(dú)柱墩橋梁只有單個(gè)支點(diǎn)支撐其橫橋向穩(wěn)定性，在外部行車(chē)荷載作用下極容易造成獨(dú)柱墩橫向傾覆。獨(dú)柱墩曲線(xiàn)橋梁在偏心荷載作用下產(chǎn)生較大的扭矩，此時(shí)橋梁支座容易產(chǎn)生脫空情況，繼而產(chǎn)生整體傾覆，對(duì)公路交通的穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大威脅。為此，開(kāi)展獨(dú)柱墩曲線(xiàn)橋梁行車(chē)荷載下的力學(xué)加固分析具有重要社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 獨(dú)柱墩曲線(xiàn)箱梁受力

直線(xiàn)橋梁在行車(chē)荷載不偏心情況下不會(huì)產(chǎn)生較大扭矩，然而在曲線(xiàn)獨(dú)柱墩箱梁結(jié)構(gòu)中，即便存在對(duì)稱(chēng)行車(chē)荷載，也會(huì)對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯扭矩。在橋梁曲率半徑較小時(shí)，獨(dú)柱墩曲線(xiàn)箱梁極容易出現(xiàn)內(nèi)梁卸載、外梁超載情況，針對(duì)獨(dú)柱墩箱梁設(shè)計(jì)優(yōu)化不僅需要考慮行車(chē)偏載情況下造成的結(jié)構(gòu)內(nèi)力不均勻現(xiàn)象，而且還要重點(diǎn)分析支點(diǎn)反力分布，避免出現(xiàn)傾覆危害。

1.1 荷載

相對(duì)于直線(xiàn)型橋梁，獨(dú)柱墩曲線(xiàn)箱型橋梁在行車(chē)荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、橫縱向彎曲、畸變等多種變形狀況，且隨著箱橋梁曲率半徑的變化，力學(xué)響應(yīng)差異性極大。獨(dú)柱墩曲線(xiàn)箱橋梁在外荷載作用下產(chǎn)生明顯的彎扭耦合效應(yīng)，產(chǎn)生的變形也要大于同樣尺度的直線(xiàn)橋梁，且曲線(xiàn)橋梁彎扭耦合下的外邊緣變形明顯大于內(nèi)邊緣變形[1]。

1.2 支座反力

獨(dú)柱墩曲線(xiàn)箱橋梁支座反力在外界荷載作用下呈不均勻分布，曲線(xiàn)橋的外支座反力明顯要大于內(nèi)支座反力，這主要?dú)w因于橋梁重心線(xiàn)處于截面形心線(xiàn)外側(cè)。曲線(xiàn)橋梁支座反力比直線(xiàn)橋更為復(fù)雜，在內(nèi)側(cè)支座處極容易出現(xiàn)負(fù)支座反力，繼而導(dǎo)致支座脫空而傾覆。為此，前期曲線(xiàn)橋梁設(shè)計(jì)階段需要加強(qiáng)支座控制，可以在外側(cè)支座位置設(shè)置防超載裝置，也可以在內(nèi)側(cè)采用受拉型支座。

1.3 剛度

獨(dú)柱墩曲線(xiàn)箱橋梁上部結(jié)構(gòu)具備較大的橫梁剛度，這能夠充分保證整體結(jié)構(gòu)的剛度穩(wěn)定性。施工中采用薄腹箱梁截面時(shí)，則需要適當(dāng)增加橫梁數(shù)量提升剛度，以便弱化彎扭耦合造成的截面畸變。除此之外，曲線(xiàn)箱梁預(yù)應(yīng)力效應(yīng)也會(huì)對(duì)支座反力進(jìn)行重分配，進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗傾覆設(shè)計(jì)中支座反力分析時(shí)需要對(duì)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)加以考慮[2]。

2 工程概況

湖北省某鋼筋混凝土曲線(xiàn)箱梁設(shè)計(jì)全長(zhǎng)90 m，三跨結(jié)構(gòu)（25 m+25 m+25 m），上跨運(yùn)輸鐵路，設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅱ級(jí)，設(shè)計(jì)車(chē)速60 km/h。橋型布置示意圖如圖1所示。曲線(xiàn)箱橋梁面設(shè)計(jì)寬度11 m[0.5 m（防撞護(hù)欄）+10 m（行車(chē)道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）]，橋面設(shè)計(jì)橫坡1.5%，曲率半徑700 m。箱梁結(jié)構(gòu)頂板高度1.8 m，底板寬度為1 m，寬度為11 m；下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則采取獨(dú)柱墩橋墩+擴(kuò)大基礎(chǔ)構(gòu)造，U型橋臺(tái)。其中，箱梁現(xiàn)澆混凝土C30，橋墩、支座墊石、橋臺(tái)結(jié)構(gòu)混凝土C30，搭板、護(hù)欄、橋墩擴(kuò)大基礎(chǔ)則采取C25混凝土。支座布置方案如下：橋橋梁臺(tái)處布設(shè)3個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的板式橡膠支座（400×450×80 mm），內(nèi)外側(cè)支座距離橋梁設(shè)計(jì)中線(xiàn)為3.2 m，中間1、2號(hào)橋墩處則分別布置單個(gè)圓板式橡膠支座（1 310×140 mm）?？紤]到該區(qū)域車(chē)輛通行量較多，且重車(chē)占比較大，設(shè)計(jì)單位擬對(duì)該獨(dú)柱墩曲線(xiàn)箱橋梁進(jìn)行公路Ⅰ級(jí)荷載的抗傾覆驗(yàn)算，繼而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化加固，以便改善橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，提升區(qū)域交通規(guī)模[3]。

圖1 橋型布置示意圖

3 有限元模型分析

3.1 尺寸及荷載

該獨(dú)柱墩曲線(xiàn)箱梁為非預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)單位主要采取MIDAS/Civil有限元軟件對(duì)該橋梁進(jìn)行梁格法模型構(gòu)建和力學(xué)響應(yīng)分析，箱梁為單箱雙室截面設(shè)計(jì)，具體尺寸如圖2所示。

圖2 箱梁截面示意圖

模型施加荷載如下：永久荷載包括混凝土自重25 kN/m3、兩側(cè)護(hù)欄線(xiàn)荷載14.3 kN/m、橋面鋼筋混凝土鋪裝及瀝青混凝土路面；汽車(chē)荷載則以公路Ⅰ級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，橋面為雙向二車(chē)道設(shè)計(jì)，其中，公路Ⅰ級(jí)車(chē)道荷載均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk=10.5 kN/m，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值pk按照以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選?。河?jì)算跨徑≤5 m，則選取pk=180 kN；計(jì)算跨徑≥50 m時(shí)，則選取pk=360 kN；計(jì)算跨徑分布在5～50 m之間時(shí)，則通過(guò)線(xiàn)性插入法選取pk。該橋梁為雙向行車(chē)，行車(chē)寬度10 m，則需要綜合分析二車(chē)道荷載效應(yīng)，此時(shí)均布荷載qk=21 kN/m，集中荷載pk選取為520 kN；支座沉降以0.025 m（L/3 000）進(jìn)行計(jì)算。

3.2 模型構(gòu)建

項(xiàng)目主要采取MIDAS/Civil軟件進(jìn)行梁格法模型構(gòu)建，模型示意圖如圖3所示。模型計(jì)算中對(duì)于最不利荷載施加位置的確定遵循以下原則：行車(chē)均布荷載滿(mǎn)布于橋梁結(jié)構(gòu)最不利情況影響線(xiàn)上，集中荷載則作用于影響線(xiàn)最大峰值位置。通過(guò)軟件測(cè)試可以獲取1#、3#、6#、8#支座最不利行車(chē)荷載施加位置，1#支座反力計(jì)算需要在3#支座內(nèi)側(cè)加載，此時(shí)均布荷載滿(mǎn)布橋跨，5#支座外邊緣施加集中荷載；3#支座反力計(jì)算則需要在內(nèi)側(cè)進(jìn)行加載，此時(shí)橋跨滿(mǎn)布均布荷載，4#支座外邊緣施加集中荷載；8#支座反力計(jì)算則需要均布荷載滿(mǎn)布橋跨，5#支座外邊緣施加集中荷載[4]。

圖3 模型構(gòu)建示意圖

3.3 抗傾覆分析

3.3.1 最不利支座反力

項(xiàng)目進(jìn)行獨(dú)柱式曲線(xiàn)箱橋梁抗傾覆驗(yàn)算中，需要考慮以下荷載組合：支座沉降、箱橋梁自重、護(hù)欄及橋面鋪裝、外側(cè)施加行車(chē)荷載。項(xiàng)目為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，只對(duì)1#、3#支座不利情況進(jìn)行分析。1#支座最不利內(nèi)側(cè)加載反力、3#支座最不利外側(cè)加載造成的反力統(tǒng)計(jì)如表1所示。表1結(jié)果表明，1#支座最不利內(nèi)側(cè)施加行車(chē)荷載下，支座反力不存在負(fù)值，所有支座并不會(huì)脫空；3#支座最不利外側(cè)施加行車(chē)荷載情況下，3#支座的反力為負(fù)值，此時(shí)3#支座存在脫空。該橋梁結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，1#支座和6#支座具備同樣力學(xué)響應(yīng)，3#支座和8#支座也具備同樣力學(xué)響應(yīng)。3#支座在不利荷載施加情況下出現(xiàn)反力負(fù)值主要是由曲線(xiàn)梁自身構(gòu)造特性所決定，箱梁內(nèi)側(cè)弧長(zhǎng)要小于外側(cè)弧長(zhǎng)，曲線(xiàn)箱梁的截面形心和結(jié)構(gòu)重心并不一致，結(jié)構(gòu)重心要往曲線(xiàn)梁外側(cè)發(fā)展，此時(shí)重心軸、行車(chē)荷載兩者產(chǎn)生相互扭轉(zhuǎn)，造成3#支座的脫空現(xiàn)象，引發(fā)橋梁翻轉(zhuǎn)等嚴(yán)重安全事故[5]。

表1 1#、3#支座不利情況下支座反力統(tǒng)計(jì)

3.3.2 抗傾覆驗(yàn)算

依據(jù)相關(guān)規(guī)范，該文確定該曲線(xiàn)箱梁的最小抗傾覆系數(shù)為2.5，這樣才能夠確保箱梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度耐久性符合要求。該獨(dú)柱墩曲線(xiàn)箱梁抗傾覆安全系數(shù)計(jì)算如式（1）：

式中，RGi——各支座反力；e——行車(chē)加載車(chē)道到結(jié)構(gòu)傾覆中線(xiàn)距離最大值；Ω——橫線(xiàn)加載車(chē)道和傾覆中線(xiàn)圍合面積；u——沖擊系數(shù)；xi——支座至傾覆線(xiàn)之間的距離，如表2所示。

表2 傾覆線(xiàn)至支座的垂直距離統(tǒng)計(jì)

項(xiàng)目箱梁均布荷載21 kN/m，集中荷載520 kN，Ω=191 m2，沖擊系數(shù)u為0.24，加載車(chē)道至傾覆線(xiàn)距離e為2.8 m，則通過(guò)計(jì)算可獲取項(xiàng)目的抗傾覆系數(shù)為1.3＜2.5，則該曲線(xiàn)箱型橋梁在Ⅰ級(jí)公路荷載下不能夠達(dá)到穩(wěn)定性要求。

4 橋梁加固優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 加固方案

新建曲線(xiàn)橋梁可以通過(guò)支座的合理偏心化設(shè)置有效提升結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力。既有箱梁結(jié)構(gòu)則難以進(jìn)行支座偏心處理，設(shè)計(jì)單位擬采取增加支座數(shù)量方法進(jìn)行抗傾覆優(yōu)化。加固方案中需要在箱梁已有獨(dú)柱墩上部施工鋼結(jié)構(gòu)支撐，支撐上需要附聯(lián)2個(gè)支座，對(duì)行車(chē)荷載及彎扭耦合效應(yīng)進(jìn)行充分分擔(dān)，消除過(guò)大的橫向扭矩。加固布置示意圖如圖4所示，1、2號(hào)橋墩位置在橋梁設(shè)計(jì)中心線(xiàn)兩側(cè)距3.2 m處分別布置1個(gè)同類(lèi)型支座，該布置形式能夠弱化行車(chē)荷載偏心施加時(shí)產(chǎn)生的彎扭變形[6]。

圖4 加固方案支座布置示意圖

4.2 加固效果

針對(duì)加固后工況開(kāi)展原有最不利荷載作用下的有限元分析，3#支座加固前后各支座反力及抗傾覆安全系數(shù)對(duì)比如表3所示，結(jié)果表明，公路Ⅰ級(jí)行車(chē)荷載作用下，加固后曲線(xiàn)橋梁都不會(huì)出現(xiàn)支座脫空情況，3#支座反力此時(shí)為420 kN。

表3 不利情況支座反力及抗傾覆安全系數(shù)對(duì)比

5 總結(jié)

該文針對(duì)湖北省某三跨獨(dú)柱墩曲線(xiàn)箱梁進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，并且針對(duì)最不利支座進(jìn)行加固分析。研究結(jié)果表明，公路Ⅰ級(jí)荷載作用下原有橋梁存在3#支座脫空情況，極容易出現(xiàn)傾覆危害；采取增加中墩支座的加固方案能夠充分提升橋梁通行能力及整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。該文所作研究能夠?yàn)轭?lèi)似工程設(shè)計(jì)提供理論參考。