發布時間：2022-05-30所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 【摘 要】為了確保某獨柱墩橋梁的穩定性，文中采用在獨柱墩上增加鋼蓋梁的加固處理，并用 MIDAS- civil 等有限元計算軟件對該橋獨柱墩進行建模計算并對鋼蓋梁進行結構分析，結果表明該橋的抗傾覆穩定性及鋼蓋梁滿足現行規范要求，為同類工程設計提供參考。 【關鍵詞】
【摘 要】為了確保某獨柱墩橋梁的穩定性，文中采用在獨柱墩上增加鋼蓋梁的加固處理，并用 MIDAS- civil 等有限元計算軟件對該橋獨柱墩進行建模計算并對鋼蓋梁進行結構分析，結果表明該橋的抗傾覆穩定性及鋼蓋梁滿足現行規范要求，為同類工程設計提供參考。
【關鍵詞】獨柱墩;抗傾覆;有限元;鋼蓋梁
0 引言
獨柱墩橋梁廣泛應用于高速公路互通立交匝道橋、跨線橋、分離立交等結構中，它有施工方便，受力明確，節省橋下空間及減少造價等諸多優點。近些年由于社會經濟的發展需求，大型重載車與日增多，汽車的載重能力也隨之大幅增加，加之認識及預防措施不足等多方面原因，全國各地近年來已發生多起橋梁側傾、側滑、傾覆事故，造成了重大經濟損失和惡劣的社會影響。
針對上述事故，近幾年來很多學者都對獨柱墩的加固方案、方法及應用等行了研究，李井輝[ 1 ]對單支點支撐橋梁抗傾覆加固提出了三種設計方案，包括獨柱墩增設鋼蓋梁，將獨柱墩改變成薄壁墩，在橋臺處增設抗拔錨栓的方案，并對三種方案進行了較為全面的論述，論證了三種方案的優缺點，并得出了選用增加鋼蓋梁方案的抗傾覆性能改善效果好、施工容易、景觀性較好、施工時對交通影響較小、造價較經濟的結論。劉捷，謝雪峰[2 ]對獨柱墩單支點橋傾覆的固方法同樣進行了研究，在上述加固方案的基礎上又提出了在墩柱兩側增加新墩柱的方案，并論證了其可行性。李維俊，王榃[ 3 ]又提出了增加通過在邊墩設置抗拉裝置及通過在獨柱墩頂設置牛腿，牛腿上增設支座的加固方案，并論證了其優缺點。張亮[ 4 ]提出了增粗原有墩柱，將墩柱加固成橢球狀，并進行受力分析、驗證了其加固效果。張振濤，龔鳴[5 ]同樣論述了增加蓋梁，增加樁柱及增加抗拔結構的加固方案對獨柱墩加固效果的影響。從上述學者的研究成果中可以看出，大部分學者是推崇采用增加蓋梁的加固方法來增加獨柱墩的穩定性能。這是一個大趨勢，但在增加蓋梁的加固方案中，可采用混凝土蓋梁及鋼蓋梁兩種方案，由于現有橋梁上部主梁的限制，混凝土很難振搗及施工，因此鋼蓋梁的應用是比較科學經濟的。王文彪，韓鵬，李攀[6 ]對曲線橋鋼蓋梁的加固設計做了較為全面的理論分析。
文中將計算一個互通區獨柱墩橋的穩定性及鋼蓋梁的強度，采用 midas Civil、Civil- Designer 有限元計算軟件建立有限元模型并進行計算，通過對獨柱墩橋梁加固前后的穩定性對比，論證鋼蓋梁加固方案的可行性，加固及計算方法也可為以后該種類的橋梁加固設計提供依據，并為該種橋梁日后的計算方法提供可拓展的空間。
1 橋梁工程概況
橋為 (17+20+20+17)m 等高鋼筋混凝土連續箱梁，設計荷載為公路 - Ⅰ級;驗算荷載：公路 - Ⅰ級;下部采用鋼筋混凝土獨柱墩、肋板式橋臺、基礎為擴大基礎;橋面鋪裝采用 7.6~14cm 的 C40 復合纖維防水混凝土鋪裝;主梁截面采用單箱單室斜腹板形式，箱梁頂寬 10m、底寬 5.6m、梁高 1.2m，頂板厚 20cm，底板厚 20cm，支點附近加厚至 40cm，腹板厚 30cm，支點附近加厚至 50cm，中支點橫梁寬度為 1m，端支點橫梁寬度為 0.65m。主梁采用 C40 混凝土。
由于該橋為獨柱墩橋梁，其存在穩定性不足的現象，如放任不管將導致橋梁整體失穩，造成較大的安全事故，因此應采用可靠的加固措施對該獨柱墩橋梁進行處理，增加獨柱墩橋梁的穩定性能。
加固方案：該橋將采用增加鋼蓋梁的方法加固 1# 、3# 獨柱墩加固效果見圖 1。
加固中注意：加固設計中在改變支點受力體系后，應盡量將支點設置在主梁腹板范圍內，以避免主梁底板局部應力過大而造成破壞，并且鋼蓋梁與墩柱連接時應用化學錨栓進行連接，避免使用膨脹螺栓。在計算時由于是加固設計，橋梁承載能力極限狀態及正常使用極限狀態仍維持原設計標準不變，加固后的結構能夠滿足在原設計荷載標準下的正常安全使用。
2 抗傾覆穩定性驗算
為了論證采用鋼蓋梁加固獨柱墩的可行性，應先對加固前后的獨柱墩的穩定性進行驗算，根據 JTG 3362- 2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》，以下簡稱《橋規》[7]第 4.1.8 條規定，持久狀況下，梁橋不應發生結構體系改變，并應同時滿足下列規定：(1) 在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態[8 ]。(2) 按作用標準值進行組合時，整體式截面簡支梁和連續梁的作用效應應符合下式要求：
2.1 橋梁加固前抗傾覆驗算
2.1.1 支座脫空驗算計算
通過有限元計算軟件，計算橋梁加固前運營階段支座是否脫空，驗算在加固前橋梁支座是否滿足規范要求不發生脫空現象，為加固設計提供必要的條件支撐，驗算結果見表 1。
由表 1 可知，運營階段在基本組合作用下，0# 及 4# 橋臺支座產生負反力，不滿足《橋規》第 4.1.8 條第一款的規定，兩側橋臺支座發生脫空現象，故支座脫空驗算不滿足規范要求。
2.1.2 抗傾覆驗算計算結果
通過有限元計算軟件，進行橋梁加固前運營階段的抗傾覆驗算，驗算在加固前橋梁穩定系數是否滿足大于等于 2.5 的規范要求，驗算結果見表 2。
表 2 中計算出了橋梁加固前運營階段橋臺各支座最不利情況下的穩定效應及失穩效應，由表中結果可知，0# 臺及 4# 臺支座的穩定效應與失穩效應相比后，傾覆驗算的穩定性系數均為 0.87，小于規范要求的 2.5，因此加固前該橋抗傾覆驗算不滿足規范要求。
因此由表 1 及表 2 的結果顯示，該橋 0# 臺及 4# 臺加固前的支座脫空、抗傾覆驗算均不滿足規范要求，需對該橋進行加固處理來改善橋梁的穩定性能。 2.2 橋梁加固后抗傾覆驗算采用增加鋼蓋梁的方法加固該橋的獨柱墩后，再次驗算整個橋梁的抗傾覆能力。
2.2.1 支座脫空驗算
計算此次加固設計采用兩側邊支座頂部與梁底不接觸的新模式，主梁與支座間留有 2mm 的間隙，當單側偏載情況下，一側邊支座與梁底接觸，另一側脫空，這可以大大的提高橋梁整體穩定的安全性能，同時減輕了鋼蓋梁的負擔，可使鋼蓋梁的耐性行得到提高，支座脫空驗算舊橋中支座不產生脫空即為滿足抗傾覆要求，因此驗算不考慮邊支座是否脫空。
2.2.2 抗傾覆驗算計算
結果通過有限元計算軟件，進行橋梁加固后運營階段的抗傾覆驗算，驗算在加固前橋梁穩定系數是否滿足大于等于 2.5 的規范要求。
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運營階段考慮單側偏載情況，該階段為最不利布載情況，應先計算各墩臺支座的穩定相應及失穩效應，并根據規范進行計算，驗算結果見表 3~ 表 7。
表 3~ 表 6 中計算出了橋梁加固后運營階段各支座偏載作用下最不利情況的穩定效應及失穩效應，由表 7 中結果可知，0# 臺、1# 墩、3# 墩、4# 臺支座的穩定效應與失穩效應相比后，傾覆驗算的穩定性系數最大為 31.84，最小為 6.75，均大于規范要求的 2.5，因此加固后該橋抗傾覆驗算滿足規范要求。
加固后該橋 0# 臺、1# 墩、3# 墩、4# 臺加固后的支座脫空、抗傾覆驗算均能滿足規范要求，因此增加鋼蓋梁后，該橋的穩定性能得到了較大的提高，證明該種加固形式能夠較好的改善橋梁的整體穩定性能。
3 鋼蓋梁計算
由于采用鋼蓋梁加固獨柱墩后，鋼蓋梁要承擔橋梁上部結構自重及活荷載，因此為保證鋼蓋梁的安全性能，應對鋼蓋梁進行驗算。
鋼蓋梁采用 Q345 鋼材，文中通過采用 midas Civil、 Civil- Designer 有限元軟件對鋼蓋梁進行計算，應分別驗算鋼蓋梁的拉 / 壓彎構件腹板應力、拉 / 壓彎構件腹板最小厚度、拉 / 壓彎構件翼緣板彎曲正應力、拉 / 壓彎構件整體穩定性及鋼蓋梁疲勞驗算。
應注意在計算鋼蓋梁時要滿足 JTG D64- 2015 《公路鋼結構橋梁設計規范》中涉及鋼蓋梁的各項計算指標，并且不要忽視構造要求的計算內容。有限元模型見圖 2。
4 結語
(1) 該橋通過增加鋼蓋梁法對獨柱橋墩進行加固后，該橋抗傾覆穩定性能得到了極大的提高，因此增加鋼蓋梁來改造加固獨柱墩橋梁來提高穩定性能的方式是較為高效，而且可行。
(2) 在采取鋼蓋梁加固方法后，由于鋼蓋梁要承受上部主梁自重及活載，因此應對鋼蓋梁的各項驗算指標進行計算，并且各項指標均應滿足現行設計規范的要求，才能證明增加的鋼蓋梁安全可靠，能夠應用在具體的實際工程當中。文中鋼蓋梁的最終各項指標均能滿足規范的要求。實例也為日后鋼蓋梁的計算提供了可借鑒的參考依據。
(3) 文中橋梁的加固方法及驗算過程，為日后同類似的獨柱墩橋梁結構提供可參考借鑒資料。——論文作者：劉驍
參考文獻
[1] 李井輝.單支點支撐橋梁抗傾覆加固設計[J]. 黑龍江交通科技，2021(3):112- 113.
[2] 劉捷，謝雪峰. 獨柱墩單支點橋傾覆分析及加固方法研究[J]. 天津建設科技，2020，30(5)：45- 46.
[3] 李維俊，王榃. 獨柱墩抗傾覆加固設計及應用的探討[J]. 四川水泥，2021(4):327- 328.
[4] 張亮. 獨柱墩橋的加固方法研究[J].天津建設科技，2019，29 (s1):28- 29.
[5] 張振濤，龔鳴. 獨柱墩橋梁抗傾覆加固問題探討[J]. 交通世界，2020(34):136- 137.
[6] 王文彪，韓鵬，李攀. 獨柱墩曲線橋鋼蓋梁加固方案設計[J]. 城市道橋與防洪，2021(3):68- 71.
[7] 中華人民共和國交通部. 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范：JTG 3362- 2018[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.
[8] 中華人民共和國交通部. 公路橋涵通用設計規范：JTG D60- 2015[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.
[9] 中華人民共和國交通部. 公路鋼結構橋梁設計規范：JTG D64- 2015[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.
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