曲线桥抗倾覆稳定性及墩柱承载能力分析

曲线桥抗倾覆稳定性及墩柱承载能力分析

耿飞

耿飞

河南省交通科学技术研究院有限公司河南郑州450006

摘要：以某曲线独柱墩连续梁桥为例，采用公路-Ⅰ级中的标准车辆密布荷载作用的方式，根据独柱墩桥横向失稳的判别准则和计算方法，对独柱墩上增设钢盖梁，并在钢盖梁的两侧各增加1个支座加固方案下的支座脱空情况、抗倾覆稳定性、墩柱承载能力进行了验算分析。验算结果表明其抗倾覆稳定性能满足要求，但墩柱承载能力不能满足要求，需进行加固处理。

关键词：曲线桥、支座脱空、抗倾覆、承载能力

1、引言

曲线独柱墩连续箱梁桥以其造型美观、结构轻巧、适应强性等独特优势在高速公路互通立交匝道桥中广泛应用，近年来，由于交通量的增大、车辆超载、桥梁劣化等不利因素，因超重车辆偏载导致的独柱墩桥梁倾覆倒塌事故时有发生，造成人员伤亡和重大财产损失。对在役曲线独柱墩连续箱梁桥进行横向倾覆稳定性验算及改造加固的任务迫在眉睫。本文以某曲线独柱墩连续箱梁为例，对其在独柱墩上增设钢盖梁，并在钢盖梁的两侧各增加1个支座的加固方案，通过建立空间有限元模型计算分析了支座脱空、主梁倾覆稳定性、墩柱正截面承载能力情况，为该桥梁加固方案实施的可行性及注意事项提供了参考依据。

2、计算分析内容

2.1支座计算

支座脱空可认为是横向倾覆过程的开始，剩余未脱空支座位于一条直线时则可以认为是横向失稳的临界状态，在支座脱空计算中考虑《公路工程技术标准》（JTGB01-2014）公路-Ⅰ级中的标准车辆密布荷载（含冲击力）标准值和成桥内力（自重、二期恒载、预应力、收缩徐变）标准值作用下支座反力是否为负（拉力）。在作用标准值组合（汽车荷载考虑冲击作用）下，单向受压支座不应处于脱空状态。

2.2主梁抗倾覆验算

根据查阅的相关资料和《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》（征求意见稿），独柱墩桥梁抗倾覆验算的汽车荷载按照现行规范公路-Ⅰ级中的标准车辆荷载并采用密布形式验算，安全系数不小于3。抗倾覆轴选取原则为抗倾覆轴外侧无支座。对于曲线桥倾覆轴线确定方法为，当跨中桥墩全部支座位于桥台外侧支座连线内侧时，倾覆轴线为桥台外侧支座连线，当跨中桥墩全部支座位于桥台外侧支座连线外侧时，倾覆轴线取为跨中支座连线或一桥台外侧支座和跨中桥墩连线。

根据定义，可得出如下抗倾覆表达式：

2.4计算荷载及荷载组合

《公路工程技术标准》（JTGB01-2014）公路-Ⅰ级中的标准车辆荷载密布形式如图-1所示。车道加载考虑最不利影响按最大偏载可能布置进行加载，并不考虑车道纵、横向折减系数。

图01车辆密布加载方式图（单位：力为kN，距离为m）

立柱正截面承载能力验算仅计算最大轴力组合和弯矩组合，其中最大轴力组合考虑恒载和活载共同作用，恒载分项系数取1.0，活载分项系数1.4，即1.0×恒载+1.4×活载；最大弯矩组合仅考虑活载作用，活载分项系数1.4，即取1.4×活载。

3、实例分析

3.1工程概况

某曲线桥平面位于R=1400m的平曲线上，纵断面位于R=4500m的凸型竖曲线上。上部结构采用：5×20m钢筋混凝土连续箱梁，下部结构桥墩为独柱式，桥台为双柱式，钻孔灌注桩基础，墩柱直径1.4m。上部结构桥宽：净9.234m+2×0.383m防撞护栏；设计荷载为：汽-超20、挂120。上部结构采用30#混凝土，容重为26kN/m3。原支座布置情况为：桥台支座（0、5#台）采用2个GPZ（KZ）2DX盆式支座；1、3、4#桥墩支座均采用1个GPZ（KZ）6DX型盆式支座；2号桥墩采用1个GPZ（KZ）6GD型盆式支座。1#～4#桥墩设计墩高分别为11m、13m、14m、14.5m。1#、4#桥墩配筋信息34Ф25mm，2#、3#桥墩配筋信息26Ф22mm。因独柱墩曲线桥维修加固工程过程中遇到光缆、农田、鱼塘以及道路边坡等因素的影响，需将原加固施工方案（把独柱墩改为三柱式或圆端形墙式墩）变更为在独柱墩上增加钢盖梁，并在钢盖梁的两侧各增加1个支座，为验证该变更方案的可行性，需对该变更方案进行计算分析。

3.2计算模型及假定

采用MIDASCivil2015空间有限元程序进行计算。其中，共离散为102个单元，135个节点，支座与主梁间连接方式为刚性连接，支座采用弹性连接模拟，如图-2所示。并作以下假定：

1、假定抗倾覆计算模型为三支座模型（中间墩支座间距1.25m，桥台支座间距按原设计）。

2、立柱正截面承载能力验算为按照去掉内侧支座后的（中间墩支座间距1.25m，桥台支座间距按原设计）两支座模型计算，该模型为考虑施工误差、实际交通量增加以及其他不利因素后采用的计算模型。

由于该曲线桥桥墩全部支座位于桥台外侧支座连线外侧，依据相关原则，经试算倾覆轴线取为一桥台外侧支座和跨中桥墩连线。倾覆轴及倾覆区域如图-2所示，在假定的倾覆区域内满布55t车辆。

图-2抗倾覆验算倾覆轴及倾覆区域示意图

3.3计算结果与分析

支座脱空、抗倾覆验算计算结果分别见表4-1、表4-2。

从表4-1中计算结果可以看出，在55t车辆密集荷载作用下，支座未出现脱空现象。说明独柱墩上增设钢盖梁，并在钢盖梁的两侧各增加1个支座的加固方案能够有效避免支座脱空现象发生。

据表4-2计算结果，并按照公式1、公式2分别计算抗倾覆力矩为30115.17kN·m，倾覆力矩为5464.50kN·m，抗倾覆系数为5.51，可以判定结构在此情况下的抗倾覆系数满足要求。说明独柱墩上增设钢盖梁，并在钢盖梁的两侧各增加1个支座的加固方案下的抗倾覆安全系数能够满足要求。

表4-1支反力统计表（单位：kN）

加钢盖梁后立柱正截面承载能力验算方法根据上述1.3节进行。墩柱正截面承载能力验算结果见表4-3，由表4-3知，该曲线桥墩柱正截面承载能力验算不满足设计要求，需采取加固措施，以提高下部结构的安全储备。说明考独柱墩上增设钢盖梁，并在钢盖梁的两侧各增加1个支座的加固方案对墩柱正截面承载能力的提高不利。

表4-3墩柱正截面承载能力验算

4、结束语

1、采用独柱墩上增设钢盖梁，并在钢盖梁的两侧各增加1个支座的加固方式，曲线桥在《公路工程技术标准》（JTGB01-2014）公路-Ⅰ级中的标准车辆荷载密布作用下，可有效避免支座脱空现象的发生，抗倾覆安全系数能够满足要求。

2、独柱墩上增设钢盖梁，并在钢盖梁的两侧各增加1个支座的加固方式，在考虑施工误差、交通量增加等不利因素后，采用两支座计算模型（不考虑内侧支座作用），经计算分析曲线桥独柱墩正截面弯矩承载力与轴向承载力不满足要求。

3、对于曲线独柱墩连续梁桥进行抗倾覆加固设计时，在提高上部结构抗倾覆能力的同时，应注意加强下部结构的安全储备，必要时根据具体情况可采取增大墩柱截面、增加钢护筒或增设墩柱数量等方式进行加固。

参考文献

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[2]JTGD60—2015，《公路桥涵设计通用规范》[S].

[3]JTGD62-2004，《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》[S].

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[5]翁沙羚，辛红升，陈敏.独柱墩连续箱梁桥横向失稳机理分析与探讨[J].公路交通科技（应用技术版），2012，6：66-67.

[6]曹景，刘志才，冯希训.箱形截面直线桥及曲线桥抗倾覆稳定性分析[J].桥梁建设，2014，44（3）：71-72.

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