独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆加固要点.pdf

总652期2023年第22期（8月 上）0 引言独柱墩连续箱梁结构简洁、外形流畅，桥下净空大，在高速公路互通立交及城市桥梁中广泛应用。但该桥型横桥向为单点支撑，抗倾覆稳定性差，当横桥向多辆汽车偏载行驶于箱梁外侧时，倾覆力矩逐渐增大，超出桥梁抗倾覆力矩并发生整体失稳破坏的可能性也大幅增加。现行规范中仅有禁止支座脱空的描述，并无桥梁横向抗倾覆稳定计算的相关规定，导致工程实践中，桥梁倾覆过程结构体系转变引起的支座反力变化影响被忽略，难以为抗倾覆加固设计提供依据。为此，本文依托具体工程，提出独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆加固设计思路及施工控制要点，为确保连续箱梁桥倾覆稳定提供参考。1 工程概况某公路全长44.31 km，路基宽26 m，双向四车道设计，设计行车速度100 km/h，公路路线地形地貌包括丘陵台地、冲积平原和低缓丘陵等类型，地层岩性复杂。其中桩号 K54+210处的跨线桥跨径为 20 m+325 m+20m，05#梁为连续箱梁，预应力混凝土结构，其中0#墩和35#墩为双支撑设计，支座按照5.5 m间距设置；12#墩为独柱墩形式。桥面宽 12.85 m，分段现浇施工。该桥梁在运行过程中因超限交通量大，活载倾覆力矩将超出恒载抗倾覆力矩，结构存在失稳倾覆的可能，必须采取加固措施。2 加固材料技术要求该独柱墩连续向量桥横向抗倾覆加固拟使用钢材、锚栓螺杆、胶黏剂等材料，为保证加固施工质量及效果，施工材料控制是首要环节。1）锚栓钢材：选用强度在 8.8级及以上、热浸镀锌厚度在35 m以上的锚栓钢材，并严格按照现行规范及规程、设计要求、施工技术交底等要求展开性能检验。2）锚栓螺杆：该独柱墩连续箱梁桥原设计方案采用公称直径22 mm的后扩底钢盖梁锚栓，钢板开孔孔径为22 mm，而市场上主要供应公称直径20 mm的后扩底锚栓，但锚固段直径超出22 mm，在钢盖梁吊装后插入锚栓孔时无法过孔。为此，设计变更改用两端尺寸一致的后扩底锚栓。钢盖梁则选用性能满足混凝土用膨胀型、扩孔型建筑锚栓（JG 1602004）中规定的性能及滑移系数、变异系数等要求的特殊倒锥形化学锚栓。3）使用性能符合公路桥梁加固设计规范（JTG/T J222008）混凝土结构加固设计规范（GB 503672013）中类A级胶要求的改性环氧树脂胶黏剂，并保证胶体具备较好的抗腐蚀、抗疲劳、抗震、耐高温性能。本工程所用改性环氧树脂胶黏剂性能检测结果见表1。为确保锚栓力学性能，原则上必须采用与螺杆同一生产厂家、同一品牌的锚固胶，并保证其抗剪承载力、抗拔力检测结果符合规范及设计要求。表1 改性环氧树脂胶黏剂性能项目规范值实测值胶体性能抗弯强度/MPa5068.7抗压强度/MPa6084.9劈裂抗拉强度/MPa8.512.2黏结性能钢套筒法标准拉伸抗剪强度/MPa1624.5带肋钢筋和混凝土的黏结强度/MPaC3025 mm1130.4C6025 mm1736.3不挥发物含量（%）991003 加固施工控制要点3.1 抗拔销施工依据设计图纸中锚板区域标记出的锚栓位置，进收稿日期：2022-11-20作者简介：张勇（1975），男，工程师，从事公路桥梁施工监理工作。独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆加固要点张勇（宜春市公路事业发展中心奉新分中心，江西 奉新 330700）摘要：以某独柱墩连续箱梁桥为例，对抗倾覆加固材料技术要求及加固施工技术要点展开分析，并应用Midas Civil有限元软件构建起桥梁加固前后分析模型，验算加固后的抗倾覆稳定性。分析结果可为独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆加固及稳定验算提供参考。关键词：独柱墩；连续箱梁桥；抗倾覆中图分类号：U445.7文献标识码：B144交通世界TRANSPOWORLD一步探测钢筋、钢束及锚头位置，如果与植筋位置发生冲突，应向原锚栓侧移动，如果移动值超出3 cm或调整位置影响到锚板尺寸、耳板位置，必须通知设计单位及时处理。抗拔销安装时必须密切结合联长及施工温度，并通过上下锚板顺桥向位置的微调，避免梁体在温度收缩膨胀变形作用下产生附加内力1。结合现场植筋位置放样结果调整开孔尺寸及位置，并核查锚栓间距、钢板边距及混凝土边距，报监理工程师核准后钻孔植筋，完成后将现场植筋位置实测结果反馈至钢构件厂家对锚板开孔。在工厂中焊接锚板和耳板，运输至施工现场后安装，并实测耳板圆孔间距。将实测结果反馈至厂家，进一步确定拉杆圆孔形心距离，并保证圆孔形心距离安装误差不超出5 mm。抗拔销拉杆安装时，应结合底座钢板粘贴处植筋情况在底座钢板上放样、钻孔，孔径应大于锚栓直径2mm，在吊装位置正上方增设1个3 t的手拉葫芦，用于吊装提升辅助工具，待将钢板安装好后，在底座钢板上垫设3 mm厚的金属垫片，为粘钢胶的灌注预留空间。将钢板与混凝土间隙中的粉尘、杂物等清除干净后灌注粘钢胶，此后封闭钢板，待封边胶彻底固化后压力注浆。最后通过环氧胶泥封口，待钢板牢固粘贴后安装拉杆。3.2 钢盖梁施工钢盖梁安装前应结合设计图纸和工程实际设置吊点，依次吊装完成两片半圆钢盖梁后安装M20拼接螺栓，并现场焊接钢构件对接处。该连续箱梁桥钢盖梁注胶及植筋施工分两次进行，首先由上至下对套筒间三列锚栓注胶植筋，在植筋胶固化前必须防止扰动锚栓；为减少钢盖梁安装对原结构截面的削弱作用，不能在钻孔完毕后再安装锚栓，必须分批次钻孔植筋，并待一批植筋固化后进行下一批次钻孔植筋。待完成全部植筋且植筋胶固化后灌注粘钢胶，完成钢盖梁安装。将1块18 mm厚、140 cm长、10 cm宽的钢板焊接于钢盖梁N3钢板上作为钢盖梁A吊点；将18 mm厚钢板焊接在钢盖梁N1、N3和N10上作为B吊点。在旧桥梁上植入螺杆后横桥向布置4排吊点，纵桥向布置2排吊点。质量最大的1节钢盖梁重2.02 t，在4个吊点均匀受力的情况下，每个吊点实际受力0.5；1个吊点植2根M16螺栓，则单个吊点的承受能力为94.5 kN，远远超出其实际受力。钢盖梁吊点布置具体见图1。4 结构抗倾覆稳定性计算应用Midas Civil建立该独柱墩连续箱梁桥有限元模型，全桥共包括141个单元，支座通过点弹性支撑展开模拟，模型见图2。该连续箱梁桥恒荷载包括混凝土结构自重及二期恒载，结构自重为25.5 kN/m；二期恒载则应考虑防撞墙和桥面铺装，分别为 8.321 kN/m 和18.65 kN/m。桥梁采用公路一级荷载，根据公路工程技术标准（JTG B012014）进行活荷载取值，并按照公路桥涵设计通用规范（JTG D602015）确定行车荷载冲击系数。通过程序自动计算混凝土收缩徐变系数。根据加固前该箱梁桥抗倾覆稳定性计算结果，在基本组合下支座负反力最小值为-302.1 kN，行车荷载效应分项系数为3.4时支座负反力最小值为-1398.1 kN，独柱墩支座转角为0.014 rad，箱梁整体抗倾覆稳定系数为40.3。在未实施加固措施的情况下，独柱墩桥梁侧支座出现负反力，不满足横向抗倾覆相关规定。图2 加固前独柱墩桥梁模型结合对施工要点的分析及独柱墩连续箱梁桥倾覆破坏形态可以看出，应将其倾覆失稳破坏求解问题转换为行车活载倾覆力矩及恒载抗倾覆力矩的计算问题，并分别计算最不利倾覆轴、行车活载倾覆力矩、恒载倾覆力矩，并进行连续箱梁桥结构抗倾覆稳定性判断。4.1 最不利倾覆轴独柱墩连续箱梁桥未脱空两支座的连线便是其侧翻失稳倾覆轴，具体位置主要取决于曲线箱梁曲率半径和支座空间布置。一般情况下，当桥梁全部支座均设置在桥台外侧支座连线以内时，以桥台外侧支座连线为倾覆轴线；而当跨中桥墩支座全部设置在桥台外侧支座连线以外时，桥台外侧支座和跨中桥墩支座连线为倾覆轴线；必须针对多种倾覆工况展开独柱墩连续箱梁桥抗倾覆计算，以确定出最不利状态。4.2 行车活载倾覆力矩当桥梁混凝土结构恰好位于侧向倾覆临界转动状态时，因受到行车活载的作用而表现出的倾覆力矩即（a）横断面（b）纵断面图1 钢盖梁吊点设置情况145总652期2023年第22期（8月 上）为行车在倾覆轴以外最比例载位的绕倾覆轴力矩。本文采用Midas Civil桥梁专用有限元软件构建起结构的空间有限元模型，并展开倾覆失稳破坏临界状态下，行车活载倾覆力矩计算3。有限元模型见图3。以结构倾覆时的临界状态为边界条件。图3 增加盖梁加固的有限元模型根据对空间有限元模型的分析可以确定该连续箱梁桥倾覆力矩影响线，并据此展开汽车超-20、挂车-120的荷载工况下最不利载位分析。结构抗倾覆稳定系数计算公式如下：kqf=Mk/Mq（1）式（1）中：kqf为抗倾覆稳定系数；Mk为恒载抗倾覆弯矩；Mq为行车活载倾覆力矩。通过式（1）可以计算出荷载工况下连续箱梁桥横向抗倾覆力矩及抗倾覆稳定系数，结果见表2。由表2可知，结构抗倾覆稳定系数取值均在 2.5 以上，满足公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG33622018）中对桥梁结构抗倾覆稳定性能的要求4。表2 行车活载倾覆力矩计算结果荷载工况倾覆力矩/（kNm）稳定系数汽车-超202 3743.72挂车-12016875.31抗倾覆力矩合计/（kNm）8 8454.3 恒载倾覆力矩为计算连续箱梁桥恒载倾覆力矩，必须先明确抗倾覆力臂和桥梁结构自重。为满足结构受力的需要，连续箱梁桥横截面通常设计为多空洞结构或带倒角的不规则形式，应用公式法进行结构自重及抗倾覆力臂计算略显复杂，而应用CAD计算机辅助图形设计软件，绘制出连续箱梁桥空间实体模型，可较为容易地得出抗倾覆力矩和结构自重，并按下式计算恒载倾覆力矩5：Mk=GL（2）式（2）中：Mk为恒载倾覆力矩；G为结构自重；L为质心到倾覆轴的距离，即抗倾覆力臂。分析结果表明，该独柱墩连续箱梁桥质心在倾覆轴内侧，与倾覆轴的垂直距离为0.91 m，结构自重产生的倾覆力矩为6 687 kNm，在充分考虑桥面内外侧护栏及桥面铺装结构后，上部恒载倾覆力矩为8 845 kNm。具体见表3。表3 恒载倾覆力矩计算结果构件自重/kN力臂/m力矩/（kNm）箱梁8 0420.826 697外侧护栏697-3.21-2153内侧护栏6974.67924桥面铺装1 1210.823 385倾覆力矩合计/（kNm）8 8455 结束语综上所述，对独柱墩连续箱梁桥实施结构加固是避免其在超载作用下横向倾覆的有效措施，尤其对交通量大、路网功能显著的同类型桥梁，必须及早加固。本文提出的钢盖梁、抗拔销等加固方案简便可靠，施工周期短，加固效果显著，但钢盖梁加固方案对原墩柱结构存在一定程度的损伤，且施工精度要求高，加固费用偏高，在加固效果得以保证的基础上应优先选用抗拔销方案。但本文提出的抗倾覆加固方案并不会大幅提高桥梁自身承载力，也不认为加固后可允许超载车辆通行，仅使加固后的桥梁结构在偶尔超载作用下横向倾覆发生的可能性得到一定降低。参考文献：1 魏吉明.独柱墩连续箱梁桥抗倾覆验算及加固设计J.运输经理世界，2021（22）：127-129.2 张伟景，杜命刚.独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆加固技术研究J.筑路机械与施工机械化，2020，37（5）：15-19.3 陈雪芬.某高速公路独柱墩连续箱梁桥抗倾覆稳定分析与加固设计J.广东公路交通，2018，44（4）：119-125.4 张娅玲.浅谈独柱墩桥梁抗倾覆加固措施J.黑龙江交通科技，2022，45（6）：91-93.5 邢心魁，吴芳君，黄颖.独柱墩梁桥倾覆稳定性研究J.公路与汽运，2016（6）：154-158.146