独柱墩连续梁桥抗倾覆的稳定性分析与加固设计

独柱墩连续梁桥抗倾覆的稳定性分析与加固设计

孙瑛凤

辽宁省公路勘测设计公司

我国在2007年之前已经逐步实现对独柱墩桥上部结构纵向以及竖向静力模型的透彻分析，但是可变荷载过渡到横向偶然偏心荷载的问题却忽略。并没有引起行业内重视。加之受到车辆超载情况的影响，我国桥梁长期处于一种超负荷的工作状态当中，如果偏心偶然荷载过大，就会直接引发桥梁坍塌倾覆，严重时威胁到人们的生命财产安全。因此，必须提高对独柱墩桥连续桥梁抗倾覆稳定性的重视程度。

一、工程概况

某独柱墩桥梁，左右分幅，上部结构为8m×20m单箱双室预应力混凝土连续箱梁，四跨一联，桥面宽度11.6m，下部结构为钢筋混凝土独圆柱墩，墩台联端设置悬挑式盖梁。桥梁的曲线半径为90m，箱梁的截面积大小为6m×20m，支座数量为20个。

二、抗倾覆验算分析

1.验算说明

（1）梁底支座的负支撑反力在桥梁一侧横向偶然偏心荷载超过自身抗倾覆能力的基础上出现，严重时会存在支座脱空的问题。导致桥跨出现倾覆的原因有很多种，其中最为直接的就是横向偶然偏心荷载作用率出现超出整联结构抗倾覆力矩的问题。在实际对抗倾覆进行验算时，必须实现对以下条件的严格遵循。

γqf=Sbk/Sbk≥2．5

上式中抗倾覆稳定系数由γqf表示，含有冲击作用的汽车荷载需要利用Sbk表示。Ssk是一个组合值，其中涉及到上部结构的稳定作用以及效应标准。桥梁单向受压支座在作用标准值组合的背景下不会处于脱空状态。

（2）在弯桥区域，如果联内桥墩中所有的支座都处于支座连线内侧以及桥台外侧时，倾覆轴线则应根据桥台外侧支座连线进行确定；如果联内桥墩的所有支座不仅在桥台的外侧处，而且还在支座连线外侧时，倾覆轴线的确定则要依据跨中桥墩支座连线的位置确定。对连续梁桥的整个倾覆阶段进行分析时发现联端偏载另侧的支座较易发生脱空，倾覆发生的同时结构受力体系也会发生一定的改变。因此，在汽车荷载冲击作用下，支座脱空现象是不允许发生的。由于支座处于脱空状态是桥梁发生倾覆的前提，所以在判断桥梁是否会产生倾覆时，可以通过检查汽车荷载影响下支座是否出现脱空来进行判断，当支座没有脱空，并且还有比较大的富余量时，以此为依据来判断该桥是否会出现倾覆的情况。

本桥试验时，使用了3辆400KN的车辆进行加载，后轴轴重300KN前轴轴重100kN，对右幅第一联第1#、2#、3#支撑桥跨进行偏载试验。本次试验共分3个阶段加载：

①使用3辆加载车辆对1#墩柱进行偏离载；

②将3辆加载车辆紧偏右侧首尾连接分别从1#-3#刚接独柱通过；

③将3辆加载车辆紧偏左侧首尾连接分别从1#-3#刚接独柱通过。

2.测试结果

（1）对箱梁的横向倾覆位移进行实际测试并对结果进行分析

主要测试内容包括:在偏载作用下，分别对左、右幅中横向箱梁边缘进行了倾覆位移测试，在工况一作用下，1#、5#拉绳传感器则处于受压测，而2#传感器则处于受拉一侧。右幅加载的倾覆位移远远大于左幅加载时所产生的倾覆位移。当进行右幅加载的过程中，非加载侧支座处上翘位移为4.99mm时，表明桥梁存在一定的安全隐患。

（2）对混凝土柱应变测试结果的综合分析

通过对测试结果的分析，我们发现当偏载车的载重量在1200KN时，连接3#墩柱箱梁的左幅最大拉应变达到210με，最大压应变为-100με；但相比较右幅与左幅的应变值相差甚远，由此也表明北幅刚接处出现一定的异常现象。

三、箱梁横向倾覆有限元分析

按照横向倾覆位移所获得的实测数据，进行系统、全面的分析再经动力有限元建模模型的修正，我们取得了准确的结构力学模型。对空间有限元的具体分析以及结构稳定性数据的计算得出承载重量在1200KN的汽车受自身重力下挠度等值线的表示方法。通过对有限元进行模拟计算分析，我们可知荷载力的大小与支座受力情况有着密不可分的关联，当荷载重量在1200KN时，非加载侧桥台支座会出现脱空现象，这也是倾覆的临界条件。

四、加固实施的具体方法

独柱墩桥梁具有结构简单、外形美观、占用桥下空间小等多方面的优势和特点，在城市立交桥和高速公路匝道桥中得到了广泛应用。但由于独柱墩墩顶较窄，横桥向往往设置单支点支撑，在汽车偏心荷载作用下，独柱墩连续梁桥的横向抗倾覆稳定非常不利。

经过全面的试验，我们发现如下情况:

1.当3辆400KN首尾相接偏载车队共同作用时，右半幅的倾覆位移会远远大于与之相应的左半幅，这也在一定程度上表明南半幅桥梁力学性优于北半幅。

2.北半幅3#刚接柱的应变能力比同状态的左半幅小，则表明3#北半幅刚接柱力学性能较南半幅差。

3.从空间有限元模拟计算的数值分析中可知当荷载量在1200KN时，非加载区侧桥台支座会出现脱空现象，结构位于倾覆的临界位置。总之，要提高桥梁的安全性能，对独柱结构进行加固处理至关重要。

本工程在加固时，可以不考虑上部结构刚接独柱，只需要考虑铰接柱的加固即可。由于下部基础结构为铰接独柱，为了提高结构的稳定性，考虑使用两根直径为1.3m的钢管混凝土柱或钢筋混凝土柱设置在独柱的两侧，并在合理的位置设置横系梁。新增的柱要使用橡胶支座和上部箱梁进行连接，控制好预加力的大小，避免因应力过于集中，对结构的工作性能造成影响。

结语：在不断深化与探究的同时，我国独柱墩桥梁已经实现对相关标准与要求的满足，但是车辆出现超载问题后，仍然会有不可避免的安全隐患存在。这要求我们开展桥梁结构设计工作时，必须深化箱梁结构各个方面的探究，其中主要包括抗剪强度、抗弯强度以及抗裂性。这些都会在一定程度上加大主梁横向倾覆的可能性。因此，必须实现对多方面内容的综合考虑，将更为良好的出行条件提供给人们。

参考文献：

[1]张海伟,浙江交通职业技术学院,张海伟.独柱墩式连续梁桥抗倾覆分析及加固治理设计[J].浙江交通职业技术学院学报,2015.

[2]许东风,吴连勋.独柱墩连续弯梁桥抗倾覆稳定性验算方法及加固措施[J].公路交通技术,2015(2):89-93.