独柱墩桥梁抗倾覆改造设计研究_毛建平.pdf

运输经理世界隧道与桥梁工程0引言近年来，独柱墩桥梁抗倾覆稳定性引起了国内桥梁领域专家及桥梁管养部门的广泛重视。专家学者对独柱墩桥梁及其受力性能、倾覆理论做了大量研究。万世成等1对独柱墩连续梁桥在车辆偏载下的抗倾覆稳定性研究进行评述，分析了其中存在的问题，并提出了建议。贺志勇等2以某高速公路跨线桥为研究背景，采用两种方法验算了其抗倾覆安全性，并提出了增设钢结构盖梁及支座加固设计方案及验算方法。2018 年 11 月交通运输部发布实施 公路钢筋混凝土 及 预 应 力 混 凝 土 桥 涵 设 计 规 范 （JTG 33622018），从独柱墩桥梁破坏过程出发，提出基于两个特征状态的验算方法，计算原理明确、操作性强，可作为独柱墩桥梁验算和改造设计的主要依据。1独柱墩桥梁改造方法研究1.1 常用改造方法进行安全评估后，不满足规范要求的独柱墩桥梁需要进行加固处理，应根据结构受力特点及构造上的限制条件，分析选择合适的加固方案，根据工程实例及以往应用情况，对常用独柱墩桥梁改造方法总结如下。方案一：设置抗拔装置，避免因边支座的脱空而导致支座力重分配。方案二：通过增设盖梁和支座，将单支撑改变为多支撑，同时加强结构抗扭转变形能力。方案三：原设计带承台的独柱墩，对原有独柱墩植筋外包，做成花瓶墩，新增支座，将单支撑改为多支撑。方案四：桥宽较大时，在原墩柱两侧增设桩基、墩柱和支座，将单支撑改为多支撑。方案五：对于宽度较小的桥梁，通过在两侧增加墩柱和盖梁，将单支撑改为多支撑。各方案优缺点及适用性分析见表 1。表 1 常用改造方案比选及说明方案一二三四五优点几乎不影响结构原有受力模式，构造简单、工程规模小、施工方便，几乎不影响桥上正常交通中墩单支撑变为多支撑，通过计算确定新增支座间距后，基本可确保桥梁不会发生倾覆破坏1.可靠性好，中墩单支撑变为多支撑，通过计算确定新增支座间距后，基本可确保桥梁不会发生倾覆破坏；2.通过措施可提高墩柱强度和安全性；3.加固施工基本不影响交通缺点因锚固构造及空间限制，抗拔销拉拔力设计值小1.改变了箱梁横梁受力模式，需重新验算横梁配筋；2.需检查新增盖梁后的净空是否满足要求；3.需对处理后中墩进行验算；4.施工较为繁琐1.改变了箱梁横梁受力模式，需重新验算横梁配筋；2.需检查新增墩柱、盖梁后的净空是否满足要求；3.需对处理后中墩进行验算；4.施工较为繁琐，工期长；5.水中墩不适用施工要点植筋、粘钢板钢盖梁：植筋、钢结构施工、增设支座；混凝土盖梁：植筋、浇筑混凝土、增设支座植筋、浇筑混凝土、增设支座打桩、浇筑混凝土、增设支座打桩、浇筑承台、植筋、浇筑混凝土、增设支座景观和净空影响很小较小较大较大较大造价低较低一般较高高适用条件仅适用于所需拉力较小的情况下，实际适用情况有限桥宽不大、净空不受限制时适用桥宽不大、净空不受限制时适用桥宽较大、净空不受限制时适用净空不受限制时适用独柱墩桥梁抗倾覆改造设计研究毛建平1、杨子杰2、蒋凌杰1、吴志隆1（1.广西交通工程检测有限公司，广西 南宁 530011；2.广西新发展交通集团有限公司来宾高速公路运营分公司，广西 来宾 545809）摘 要：为了进一步排查安全隐患，避免意外发生，对独柱墩桥梁抗倾覆验算和加固改造方法进行深入研究、应用及总结。结合一座高速公路匝道桥和一座城市立交桥独柱墩改造工程应用实例，详细介绍独柱墩桥梁抗倾覆验算和加固设计。研究成果可为该类结构桥梁加固提供参考。关键词：独柱墩；抗倾覆；桥梁加固改造中图分类号：U445.72文献标识码：A81运输经理世界隧道与桥梁工程1.2 加固设计注意事项1.2.1建设条件调查在完成桥梁设计资料、竣工资料及检测资料收集后，结合现场条件，剔除明显不可行方案。现场踏勘调查内容一般包括以下内容：（1）核查桥梁结构与竣工图是否相符，包括结构类型、桥跨布置、支座设置以及维修加固情况等。（2）核查现场地面起伏情况与原设计是否有较大的出入。（3）净 空、净 宽 现 场 实 测，施 工 现 场 地 形 地 物测量。1.2.2加固计算要求抗倾覆加固计算内容应包括：（1）抗倾覆验算初拟方案后，按照现行行业标准 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG 33622018）的规定进行抗倾覆验算。验算包括：作用基本组合下单向受压支座负反力、作用标准组合下横桥向抗倾覆稳定系数、原独柱墩压弯承载力。（2）加固结构验算如桥梁加固方案改变了结构受力状态，应按加固后的结构状态进行复核计算，除抗倾覆外，桥梁承载力极限状态和正常使用极限状态均应满足或采取措施加固后应满足设计规范标准要求，附加结构的承载力和稳定性满足规范要求。2某高速路匝道桥独柱墩改造2.1 桥梁概况某高速公路匝道桥跨径组合为 27m+35m+27m，下部结构采用桩柱式墩台，桥墩为独柱结构。上部结构采用预应力混凝土连续箱梁；荷载等级：公路-级；桥面净宽 11m。2.2 原结构抗倾覆验算根据现行 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG 33622018）3第 4.1.8 条的规定，桥梁 进 行 了 抗 倾 覆 验 算，结 果 表 明，桥 梁 抗 倾 覆 系 数1.512.5，不满足规范要求，需进行加固改造。2.3 加固设计经现场勘察，结合桥梁结构特点，综合考虑净空要求、加固效果、工程造价等因素。选择上文所述方案三对该桥进行抗倾覆加固改造。具体加固内容：将1 号、2 号独柱墩进行外包混凝土形成薄壁花瓶墩，在花瓶墩上增设辅助支座，将原单支座改成三支座，新增的支座仅在活载作用下受力，原独柱墩墩顶支座仍为主要受力支座。加固后桥梁抗倾覆验算结果见表 2，由表可知，桥项目li/m支座竖向力/kN特征状态1验算特征状态2验算RGki（永久作用标准值效应）失效支座对应最不利汽车荷载标准值效应1.0RGki+1.4RQki，0外1.0RGki+1.4RQki，1外1.0RGki+1.4RQki，2外1.0RGki+1.4RQki，3外验算结论稳定效应RGkili/（kN m）失稳效应/（kN m）稳定性系数验算结论RQki，0外RQki，1外RQki，2外RQki，3外RGki，0内liRGki，1内 liRGki，2内 liRGki，3内liRGkili/RQki，0外liRGkili/RQki，1外 liRGkili/RQki，2外 liRGkili/RQki，3外li支座编号0-内01684.3316.7480.4473.2426.42127.72356.92346.82281.3满足000005.905.977.785.93满足0-外6.31556.9-355.1-300.3-238.9-260.91059.81136.51222.41191.69808.52237.11891.91505.11643.71-内00261.6284.8246.7248.7366.2398.7345.4348.2000001-中1.95101531226.71414.5760.11090.711870.412133.311217.111680.019798.42392.12758.31482.22126.91-外3.90-237-256.4-231.3-226.9-331.8-359.0-323.8-317.70.0924.31000.0902.1884.92内00260.4270.7299.8262.4364.6379.0419.7367.4000002-中1.9510150.2960.8839.91043.31077.911498.111328.911613.611662.119792.91873.61637.82034.42101.92-外3.90-241.2-253.9-278.9-240.9-337.7-355.5-390.5-337.30.0940.7990.21087.7939.53-内01420.6446.9473.1718.9322.42046.32082.92427.11872.0000003-外6.31374.1-232.6-230.870.9-3331048.51051.01473.4907.98656.81465.41454.0446.72097.9表 2 加固后桥梁抗倾覆验算结果表注：新增支座在恒载作用下不受力，仅在车辆荷载作用下受力，故特征状态1新增支座不纳入考虑。82运输经理世界隧道与桥梁工程梁抗倾覆系数 5.902.5，满足规范要求。同时对桥梁基础、横梁受力均进行了验算，满足规范要求。3某城市立交桥独柱墩改造3.1 桥梁概况某 城 市 大 型 立 交 匝 道 桥 第 一 联 桥 跨 组 合 为27.55m+21.54m+16.97m，上部结构采用带牛腿的预应力混凝土连续箱梁；1 号桥墩为独柱结构。荷载等级：城市-A 级。3.2 独柱墩改造方案介绍经现场勘查，结合桥梁结构特点，综合考虑桥下通行要求、加固效果、工程造价等因素。选择上文所述方案二（独柱墩顶增设钢盖梁和支座）对该桥进行抗倾覆加固改造。3.3 改造后桥墩验算上部结构自重作用仅由原支座承受，汽车荷载作用由原支座和新增支座共同承受。汽车荷载等级为城市-A 级，计算时考虑两列车偏心作用。偏心受压计算验算结果表明，墩柱承载能力极限状态和正常使用极限状态验算结果满足规范要求。3.4 附加结构安全验算3.4.1钢盖梁验算钢盖梁选用材料为 Q345c 钢板，主要受力部分（顶板和加劲肋板）厚度为 20mm，其余厚度为 12mm。在汽车荷载作用下，新增支座最大反力为 1487kN（含冲击系数）。采用 ANSYS 进行计算，钢盖梁采用壳单元shell63 进行模拟，钢盖梁与混凝土墩柱接触面按固结模拟，在支座位置施加支座最大反力，钢盖梁最大应力为 198MPa，未超过标准组合下应力限值 210MPa，满足要求。3.4.2连接部抗弯剪承载力验算（1）荷载取值结构自重下新增支座不提供竖向反力，在偏心汽车荷载作用下最大反力为 1487.0kN。在承载能力极限 状 态 基 本 组 合 下，新 增 支 座 最 大 反 力 为 F=1.41487.0=2082kN，偏心距 e=0.25m。另外，在由 15 个锚固 端 连 成 截 面 的 形 心 处 的 等 效 外 荷 载 为 F=F=2082kN；M=Fe=20820.25=521kNm（2）基本参数（a）精轧螺纹钢 5 排（竖向间距为 a=0.35m），每排3 根，总数目 n1=15。记第 i 根精轧螺纹钢到截面形心处的竖向距离为ai（单位：m）。32mm 精轧螺纹钢单根面积 A1=804.3mm2精轧螺纹钢抗拉设计强度取值 f1=205MPa抗剪设计强度取值 fv1=120MPa（b）20 植筋 6 层，每层 12 个，共计 72 个，计算时偏安全考虑，仅计入半圆周上的 n2=36 个。20mm 植筋单根面积 A2=d2/4=314.2mm2植筋抗拉设计强度取值 f2=205MPa抗剪设计强度取值 fv2=120MPa（3）剪力由 15 根精轧螺纹钢和 36 根20 植筋共同承担，剪力的抗力值为：FV抗=n1fV1A1+n2fV2A2=15 120 804.3+36 120 304.21000=2762(kN)F=2082(kN)（1）精轧螺纹钢剪应力为：=F-n2fV2A2n1A1=2082000-36 120 304.215 804.3=63.6(MPa)fV1=120(MPa)（2）（4）计算精轧螺纹钢的正应力时，偏安全考虑，不计入 A20 植筋的抗拉力。最外侧的精轧螺纹钢由弯矩引起的正应力最大：max=M amaxA i=1na2i=521000804.3115 0.35=123.4(MPa)（3）（5）根据钢结构设计规范，按公式（4）进行弯剪组合验算：()f2+()fV2=()123.42052+()63.61202=0.64 1.0（4）由上述式（1）式（4）计算可知，连接部抗弯剪承载力满足规范要求。4结语独柱墩桥梁以线形优美和结构简单在城市立交和高速公路匝道桥中应用广泛，近年来因超载通行问题，导致独柱墩桥梁倾覆破坏事故发生率偏高。2018年发布实施的新规范可作为该类结构桥梁稳定验算和设计的主要依据。本文对独柱墩桥梁抗倾覆稳定性验算、加固改造设计方法、结构验算要点进行详细的 阐 述，可 为 该 类 结 构 桥 梁 验 算 和 维 修 加 固 提 供参考。参考文献：1万世成，黄侨.独柱墩连续梁桥偏载下的抗倾覆稳定性研究综述J.中外公路，2015（4）：156-161.2贺志勇，王野.某独柱墩曲线梁桥安全性评估与加固设计J.中外公路，2018（4）：124-130.3杨竟南，刘斌，史言稳.独柱墩曲线梁桥抗倾覆影响因素分析J.交通科技，2022（6）：67-71.作者简介：毛建平（1985-），男，江西上饶人，硕士研究生，高级工程师，从事桥梁设计、检测、监测及相关研究工作83