独柱墩抗倾覆加固安全效果后评估.pdf

总661期2023年第31期（11月 上）0 引言独柱墩的加固方法多采用将单支撑体系变为多支撑体系，从而使新增支座与原支座协同受力，能够很好地解决桥梁的倾覆稳定性问题，但设计者很容易忽略加固过程中加固构件的承载力是否满足要求，导致桥梁虽然满足了倾覆稳定性的要求，却缺乏对桥梁自身的安全性以及加固结构自身安全性的相应验证。本文通过对独柱墩桥梁加固后的安全效果进行评估，可以更好地了解加固后各个构件的受力情况，为日后此类桥型的提升改造工作提供参考依据。1 独柱墩倾覆机理及加固方式1.1 独柱墩的倾覆机理独柱墩的破坏形式主要分为三类：第一类为箱梁整体倾覆，即在偏载作用下，一侧的支座出现脱空现象后，梁体的支座不能提供有效的支撑约束，桥梁的失稳力矩大于稳定力矩，导致梁体发生扭转，梁体倾倒，导致倾覆破坏；第二类为箱梁滑移失稳，即在重车作用下，箱梁扭动带动支座倾斜使箱梁产生滑移；第三类为墩柱破坏导致失稳，以上三种破坏形式均为脆性破坏，造成不可挽回的损失。1.2 独柱墩验算采用的荷载标准基于以上特性，交通运输部办公厅印发了相关文件，明确要求对存在倾覆风险的独柱墩桥梁进行排查，并给出了排查过程中的相关要点，文件中要求对存在风险的桥梁应进行结构计算，规定了验算过程中的荷载取值要求及注意事项。按照要求，原桥梁设计荷载采用 公路桥涵通用设计规范（JTG D602004）中公路-级及汽-超20级时，排查验算时采用公路桥涵通用设计规范（JTG D602015）中公路-级进行验算；采用 公路桥涵通用设计规范（JTG D602004）中公路-级及汽-20 级时，排查验算时采用公路桥涵通用设计规范（JTG D602015）中公路-级验算。由文件可知，考虑与实际通行荷载相符合，验算荷载已全部提升为最新的荷载标准。1.3 独柱墩加固方式随着独柱墩倾覆事故的频繁发生以及排查验算文件的发布，广大研究者和设计者开始重新思考独柱墩桥梁的安全性能，并针对此类桥梁提出加固的方式。现有独柱墩加固方式一般包括增设拉杆、增加墩柱、加大墩柱截面、增设钢盖梁等方法。其中，杨文斌7对影响倾覆稳定性的因素进行了分析，对加固方法进行了研究对比，发现增设拉杆加固效果较差，其他三种方法对桥梁的抗倾覆稳定性都有一定的提升作用。邓继清8阐述了钢盖梁的受力分析，采用此方法进行加固后，主要由钢盖梁与墩柱之间的摩擦力来承担外荷载，其发现增大钢盖梁与墩柱的摩擦，增加钢盖梁与墩柱上部的锚栓数量，可以有效增加钢盖梁的承载力。王士杰9阐述了增加盖梁后在上部车辆荷载的作用下，原独柱墩会产生额外的偏心弯矩，因此应对加固后的墩柱进行验算，判断是否满足规范要求。增设钢盖梁的方式中，新增的支座仅承担车辆荷载作用下的支座反力，当车辆偏载行驶时，通过新增的支座将上部结构的支座反力传递给盖梁，盖梁与桥墩用锚栓进行连接，进而由盖梁传递给桥墩和基础。该方法可以不受桥梁下方道路、河流、湖泊的限制，对桥下净空要求较低，通过工厂预制后，现场可以直接进行吊装，与增加墩柱方式相比，对原有承台要求较低。因此，该方法应用比较广泛。增设钢盖梁的方法经过验证虽然有效解决了独柱墩的横向倾覆稳定性问题，但也存在诸多不足之处。例如长期使用后钢盖梁自身的承载力是否满足要求，收稿日期：2023-03-08作者简介：焦阳（1988），女，工程师，研究方向为桥梁工程。独柱墩抗倾覆加固安全效果后评估焦阳（北京公科固桥技术有限公司，北京 100088）摘要：研究基于对独柱墩采取增设钢盖梁的加固方式，通过验算新增钢盖梁后桥梁倾覆的稳定性，可以有效解决独柱墩桥梁的倾覆风险。同时对新增构件进行安全效果评估，对其进行局部验算，建立有限元分析模型，表明新增的构件满足结构自身承载力的要求。新增钢盖梁的加固方式较好地解决了目前独柱墩倾覆稳定性的问题，可为设计人员提供参考。关键词：独柱墩；抗倾覆；加固方式中图分类号：U445.4文献标识码：B124交通世界TRANSPOWORLD锚栓经过长期使用产生锈蚀导致其承载力下降，锚栓与盖梁连接处容易引起应力集中分布等问题应引起足够重视。综上所述，对于加固后独柱墩的钢盖梁、锚栓、墩柱及支座的安全效果评估显得尤为重要。2 工程概况某匝道桥位于右弯R=270 m的圆曲线内。桥梁孔径布置为（620）m的钢筋混凝土连续箱梁，下部采用柱式墩，钻孔灌注桩，桥面布置为（0.5+7.0+0.5）m=8.0 m，设计荷载：公路-I级，其中第1#、2#、4#、5#号墩为单支座独柱墩，全桥共计4个独柱墩。桥梁横断面布置图见图1，支座平面布置示意图见图2。单位：cm图1 横断面布置图图2 支座平面布置示意图3 加固内容在保证结构安全，施工方便可行的前提下，根据本桥的结构特性，采取有效手段彻底解决独柱结构倾覆的安全隐患。结合计算分析，根据匝道桥抗倾覆不满足要求的具体原因，采用如下的处治方法：1#、2#、4#、5#墩设置钢盖梁增设支点。新增的钢盖梁支座间距为 21.5 m。独柱墩新增钢结构盖梁增设支点图见图3。4 加固前安全效果评估上部结构通过有限元建立空间梁单元模型，采用单梁法进行模拟。边界条件根据施工图中支座的位置及形式，在梁底相应位置依据坐标建立支座节点，支座节点与对应梁单元之间设置刚性连接，支座节点采用一般支撑施加约束。模型总体图见图4。图4 模型总体图4.1 验算荷载组合根据公路桥涵通用设计规范（JTG D602015）对荷载组合的规定，本次荷载的基本组合和标准组合分别为：1）0.5（支座沉降）+1.0（恒荷载）+1.0（收缩徐变）+1.4（汽车荷载）+1.05（整体温度）+1.05（梯度温度）；2）1.0（支座沉降）+1.0（恒荷载）+1.0（收缩徐变）+1.0（汽车荷载）+1.0（整体温度）+1.0（梯度温度）。4.2 验算荷载作用1）永久作用：结构自重、二期铺装、护栏自重、预应力、混凝土收缩徐变、基础变位。2）汽车验算荷载：公路-级（JTG D602015），车辆横向布置按规范分为左侧和右侧偏载。3）汽车荷载冲击系数：冲击系数按照公路桥梁设计通用规范（JTG D602015）规定的方法计算，基频f=10.3Hz。4）温度荷载：整体降温20，整体升温20；温度梯度按照 公路桥涵通用设计规范（JTG D602015）相关规定执行。5）支座沉降：根据设计说明按L/4000cm取值。4.3 计算结论分别考虑两侧偏载作用下支座的最不利状态，按照 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG 33622018）第4.1.8条进行验算，在基本组合作用下，不同偏载情况下0-1#、0-2#、6-1#、6-2#支座最小反力包络值小于0，不满足规范要求。最不利状态单位：cm图3 独柱墩新增钢结构盖梁增设支点125总661期2023年第31期（11月 上）下抗倾覆稳定系数小于2.5，不满足规范要求，处于不安全状态，需要对其进行加固处理。5 加固后安全效果评估5.1 倾覆稳定性验算经过方案比选后，本桥采用增加钢盖梁的方式对其进行加固处理，依据设计图纸建立模型，模型总体图见图5。图5 模型总体图在基本组合作用下，支座反力验算结果见表1，满足规范要求。表1 支座反力验算支座编号0-1#0-2#1-1#2-1#3-1#3-2#4-1#5-1#6-1#6-2#最不利状态支反力FZ/kN4684192 8452 4341 1731 1532 4382 845469419是否满足“JTG 33622018”要求是是是是是是是是是是最不利状态下抗倾覆稳定系数验算见表2。由表2可知，经过加固处理后，该桥抗倾覆稳定系数均大于2.5，满足规范要求。表2 最不利状态下抗倾覆稳定系数验算最不利工况0-1#支座最不利0-2#支座最不利3-1#支座最不利3-2#支座最不利6-1#支座最不利6-2#支座最不利稳定效应Sbki/（kNm）27 74427 50227 74427 50227 74427 502失稳效应Sski/（kNm）474688474688474688抗倾覆稳定系数kqf58.240.058.540.058.540.0抗倾覆是否满足要求是是是是是是5.2 新增钢盖梁安全效果评估1）挠度分析据文献8中阐述，盖梁在运营过程中若变形过大，会出现盖梁与墩柱分离的情况，影响盖梁的承载力。若盖梁在使用过程中出现滑动，与墩柱产生较大的位移，其承载力会下降约13%，此时的盖梁已不适合继续使用，因此对加固的盖梁进行变形分析十分必要。在垂直外荷载作用下，钢盖梁左右两侧各承受一半的外荷载，同时由于锚栓作用，锚栓对盖梁同样存在预紧力作用，从受力角度分析，钢盖梁与墩柱之间的摩擦力近似于外荷载平衡，当钢盖梁受到偏心荷载作用时，盖梁左右两侧各承受一半弯矩，并且上下受力并非均匀分布存在，上部的环应力大，下部应力小。通过研究发现，盖梁环墩柱部分钢板越厚，应力分布越均匀，当盖梁同时受到垂直外荷载和弯矩作用时，按照叠加原理，盖梁受力依旧是上部应力较大，下部应力较小的分布状态。本次对新增钢盖梁进行验算，钢盖梁侧面大样见图 6，采用有限元程序建立钢盖梁有限元模型。钢板采用三维板壳单元模拟，桥墩采用三维实体单元模拟。钢盖梁与混凝土桥墩采用约束方程连接，在桥墩底部固结。其中N1板为环墩柱钢板，N2为盖梁上部与支座接触的上钢板，N3为盖梁前后侧板，N6为盖梁加劲肋。图6 钢盖梁侧面大样钢盖梁可视为悬臂梁，根据 公路钢结构桥梁设计规范（JTG D642015）第4.2.3条要求：在不计入冲击力的汽车车道荷载作用下，悬臂梁计算挠度值不应超过 L/300。钢盖梁端部竖向整体变形为 0.76 mm，小于 L/300=1100/300=3.7 mm，因此，正常使用极限状态变形验算满足要求。2）应力分析在标准值支座反力作用下，各钢板最大Mises应力见表3。其中N7为锚栓，此处不予考虑。表3 各板件最大Mises应力单位：MPa板件编号最大Mises应力N124.0N222.6N349.9N441.0N522.9N621.4N822.5根据 公路钢结构桥梁设计规范（JTG D642015）第5.3.1条，钢盖梁应力状态应满足式（1）：0 x fd（1）式（1）中：0为结构重要性系数；x为正应力；fd为126交通世界TRANSPOWORLD材料抗拉、抗压和抗弯强度设计值。应力最大值出现在N1与N3板件连接处；N3、N4板件应力相对较大，较大应力值均集中于N3、N4与N1下 部 连 接 位 置。N1N8 板 件 最 大 Mises 应 力 为49.9 MPa，小于Q355C钢材设计值295 MPa，结构受力安全。5.3 锚栓安全效果评估在加固过程中，锚栓一部分打入混凝土中，一部分裸露在混凝土外部，长期受雨水侵蚀，锚栓的承载力是否满足要求，决定了盖梁是否与墩柱产生滑动位移。若锚固能力下降，钢盖梁与墩柱接触不充分，将导致盖梁承载力降低。本桥锚栓采用80级不锈钢锚栓，锚固深度为240 mm，按照混凝土结构加固设计规范（GB 503672013）进行验算，锚栓承载力验算结果见表4。表4 锚栓承载力验算项目M80级螺栓抗拔承载力/kN157抗剪承载力/kN94锚栓拉拔力最大为61.3 kN，最大竖向剪力为37.1kN，均小于规范规定值，锚栓强度满足要求。锚固深度大于规范限值150 mm，满足要求。5.4 墩柱安全效果评估当采用桥墩增设钢盖梁形式进行抗倾覆加固时，由于新增偏心支点，在汽车偏载工况下，桥墩的受力状态由完全的轴心受压转变为偏心受压，因此需要对加固后桥墩的偏心抗压强度进行验算，改造提升方案对1#墩、2#墩、4#墩、5#墩增设钢盖梁，依据相关文件的要求，对与新增构件相连接的原结构构件进行承载能力极限状态验算，加固后墩柱承载力验算结果见表5。表5 加固后墩柱承载力验算构件1#墩2#墩4#墩5#墩极限强度轴力/kN21 66219 76221 66222 178弯矩/（kNm）3 2133 7863 2133 034最不利工况荷载效应轴力/kN8 1107 7717 7718 107弯矩/（kNm）1 0081 0001 000985是否满足要求是是是是根据上述验算结果，采用增加钢盖梁方案加固后，独柱墩承载力满足规范要求。5.5 新增支座的安全效果评估为减少新增支座对原结构受力体系的变化，各墩柱新增支座均采用双向四氟板式橡胶支座，支座型号为GJZ45045084，新增支座的反力最大值见表6。参阅公路桥梁板式橡胶支座（JT/T 42019），支座承载力满足规范要求。6 结束语通过对某匝道桥独柱墩桥梁的计算分析，采用增设钢盖梁的加固方案后，可以很好地提升桥梁的整体稳定性，满足规范中抗倾覆稳定的要求。按照规范技术要求，采用新的荷载标准对加固构件进行安全效果评估，新增钢盖梁的强度和刚度满足要求，锚栓、墩柱及新增支座承载力均满足要求。参考文献：1 中交公路规划设计院有限公司.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG 33622018 S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.2 中交公路规划设计院有限公司.公路桥涵设计通用规范：JTG D602015 S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.3 中交公路规划设计院有限公司.公路桥涵设计通用规范：JTG D602004S.北京：人民交通出版社，2004.4 中交公路规划设计院有限公司.公路钢结构桥梁设计规范：JTG D642015 S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.5 四川省住房和城乡建设厅.混凝土结构加固设计规范：GB 503672013 S.北京：中国建筑工业出版社，2013.6 中交公路规划设计院有限公司.公路桥梁板式橡胶支座：JT/T 42019 S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2019.7 杨文斌.基于弹性大转动的独柱墩匝道桥侧向抗倾覆稳定性分析及加固研究D.兰州：兰州交通大学，2021.8 邓继清.独柱墩加固用钢抱箍承载力研究D.四川：西南科技大学，2023.9 王士杰.独柱墩单支承桥梁抗倾覆加固方法适用性分析和加固后结构影响研究D.南京：东南大学，2021.表6 新增支座的反力最大值新增支座编号新增1-2新增1-3新增2-2新增2-3新增4-2新增4-3新增5-2新增5-3最大力值/kN1 0571 0471 0691 0391 0691 0391 0571 047容许支反力/kN1 9361 9361 9361 9361 9361 9361 9361 936是否满足要求是是是是是是是是127