独柱墩桥梁（通用7篇）
独柱墩桥梁 篇1
随着人们对震后结构破坏的研究, 抗震设计方法也在不断地进行改进。经过了1989年LomaPrieta地震、1994年的Northridge地震和1995年日本Kobe地震等[1]。我们得知基于承载力或强度抗震设计原则设计出的结构在低于设计强度时也会发生倒塌或严重的破坏。分析表明, 在有侧向荷载作用时结构处于弹性状态, 随着侧向力的增加, 位移逐渐增大。当结构进入塑性阶段时, 位移持续增大而侧向力保持不变, 所以基于承载力或强度的抗震设计方法无法估计结构的塑性发展过程和破坏倒塌机理。随后由美国的Bertero提出基于性能的抗震设计方法[2]。
结构地震反应取决于地面运动特性和结构动力特性两个方面, 随着对这两个方面认识的逐步深入, 地震反应分析的发展经历了静力法、反应谱法、时程分析法。静力法[1,2]是把结构物在地面运动加速度作用下产生的惯性力看作静力作用在结构上, 进行结构线弹性静力分析计算。这样的方法忽略了结构的动力反应特性, 而且只对整体刚度较大的结构才适用。反应谱法[1,2]是根据大量强震记录, 如:Taft波, El—Centro波和Northridge波等统计出用于抗震设计的设计反应谱, 然后将结构进行阵型分解求出阵型最大反应值, 用组合的方法 (SRSS, CQC, IGQC, SUM, DSC等) 将各阵型反应的最大值结合起来, 得到结构的最大响应值。它是表示地震动频谱特性的一种方法。但是反应谱方法中地震惯性力仍然是静力, 属于弹性范围, 所以不能用于在强震作用下进入塑性阶段的分析, 而且反应谱是位移、速度、加速度反应的外包络曲线, 所以不能反应出地震动的实际情况。由于反应谱方法比较简单、方便, 所以现在还一直在沿用。非线性动力时程分析[1,2]是通过对结构输入地震动, 用逐步积分的方法求解方程, 得到结构在每一时刻的反应。它考虑了地震动的振幅、频谱、持时特性, 是一种有效地弹塑性分析方法。但是由于计算量大、耗时多结果处理繁杂, 而且结果的准确性依赖于地震动的输入, 因为地震具有随机性, 所以我们得到的分析结果与实际情况可能会有出入。基于上述原因, 静力弹塑性方法 (Pushover) 发展起来。Pushover方法实质上是一种静力方法, 它较静力法有许多改进, 且把设计反应谱引入计算当中, 能清晰地反应结构在强震作用下整体变形和局部塑性变形机制, 是一种相对简单的方法。本文从工程实例出发, 通过计算比较静力弹塑性分析 (Pushover) 方法与动力时程分析方法的结果, 说明Pushover在工程中的可行性。
1 Pushover方法的介绍
1.1基本原理
静力弹塑性分析 (Pushover) [3,4]方法是在1975年由Freeman[5]提出的。其步骤是:根据结构的情况, 将地震荷载等效成某种侧向水平力施加到结构上, 并逐步增大侧向水平力, 直到结构达到目标位移或形成倒塌机制, 然后对结构的性能进行评估。
1.2实施步骤
(1) 建立结构模型;
(2) 对结构施加一定模式的侧向水平力 (包括重力) , 侧向力用一阶阵型表示;
(3) 计算出结构在竖向荷载和水平荷载作用下的内力, 并将内力组合;
(4) 根据自定义力和位移屈服准则判断单元是否达到屈服;
(5) 记录基底剪力—顶点位移曲线, 对于达到屈服的构件, 将其刚度至零或采用后屈服刚度;
(6) 叠加荷载增量, 记录累积的基底剪力和顶点位移;
(7) 逐渐增加荷载, 直到结构达到目标位移;
(8) 整理结果, 绘出基底剪力与顶点位移的关系曲线, 即Pushover分析曲线, 对结构抗震性能进行评估。
2工程实例
2.1工程概况
某二级路上一5孔20m T形连续梁桥, 桥梁全长100m。该桥位于平曲线内, 半径为R=300m。上部结构为4片预制T梁, 采用C 50混凝土。桥墩为独柱墩, 直径为1.8m, 采用C 40混凝土。盖梁悬臂为渐变矩形截面, 采用C 50混凝土。墩底到盖梁底部的墩柱高度为6.5m。该工程按Ⅷ度抗震设防烈度。设计荷载:公路Ⅱ级。桥面净宽:净9+2×0.5米防撞护墙。
2.2有限元模型
取全桥为分析模型, 主要分析纵桥向的地震响应。墩底为完全固结。选用El-Centro波作为非线性时程分析地震输入。Pushover分析中先指定塑性铰位置, 根据《公路桥梁抗震设计细则》[6]中第6.2要求, 桥墩应作为延性构件设计, 且在各墩底赋予弯矩 (M 3) 的塑性铰, 侧向加载方式选用加速度的均布荷载。因为时程分析和Pushover分析都是对于结构进入塑性阶段的研究, 及在E 2地震下的性能[6], 参考《建筑抗震设计规范》, 将El-Centro波峰值调至0.4g, 并将其地震反应谱与ATC—40[7]反应谱进行对比, 确定用于Pushover分析Ⅷ度地震作用下地震系数Ca=0.36、Cv=0.405。建立有限元模型如图1。
2.3 性能评价和结果分析
2.3.1 性能评价
Pushover分析得到桥梁的抗震能力曲线 (Pushover Curve) , 将Pushover曲线根据A=Vb/M
经分析得到Pushover curve曲线 (如图2) 转化为能力谱与Ⅷ度地震作用下的反应谱转化为的需求谱放在同一张图中 (如图3) 。从图3中可以看到需求谱与能力谱两条曲线所交得到的性能点 (0.293, 0.048) , 经转化基底剪力为7 720.71 kN, 5号墩顶位移0.019 m, 说明该桥梁具有在Ⅷ度地震作用下进入塑性阶段的抗震能力。
2.3.2 结果分析
(1) 塑性铰分布
非线性时程分析和Pushover分析下结构最终的塑性铰分布情况如图4。时程分析情况:4、5、6号墩底同时进入塑性阶段, 随后3、2、1号墩底逐一地进入了塑性阶段。5、6号墩底塑性铰为“立即使用” (Immediate Occupancy) 状态。Pushover分析下塑性铰的出现顺序与时程分析一致, 只是最后塑性铰损失状态有所区别, 4、5、6号墩底塑性铰完全失效, 3号墩底塑性铰已经卸载, 1、2号墩底塑性铰处于“立即使用”状态。
(2) 基底剪力和墩顶位移
Pushover分析与时程分析的结果相比, Pushover分析结果偏于安全。如表1所示。
3 结论
传统的静力线性分析方法只考虑了结构的弹性状态, 忽略了其动力特性。动力时程分析的结果虽然能够比较准确地反映结构地震的实际情况, 但是具有计算量大、耗时多, 地震动输入不确定等因素。Pushover方法克服了传统静力线性分析方法和动力时程分析方法的不足, 并且很大程度上简化了结构的抗震分析, 它不但能够反应结构在侧向荷载作用下直到变形破坏的全过程, 而且还能够很清晰地反映局部的塑性变形机制。本文通过实际的工程分析, 得到Pushover分析的结果相对于时程分析的结果大, 这是因为Pushover分析是一种近似的方法, 它不能够精确地描述结构的动力特性。因此用Pushover对桥梁抗震分析是一种比较保守的方法, 对桥梁抗震性能的评估有很大的实用价值。
摘要：Pushover方法作为一种非线性静力分析方法, 以其简单、方便的特点得到广泛的应用。简要介绍Pushover方法的基本原理和实施步骤, 结合工程实例对非线性时程分析的结果进行比较, 指明Pushover分析方法对于评价结构的抗震性能具有一定的准确性。
关键词：Pushover方法,非线性时程分析,抗震性能
参考文献
[1] 胡聿贤.地震工程学.北京.地震出版社, 2006
[2] 王克海.桥梁抗震研究.北京.中国铁道出版社, 2007
[3] 叶燎原, 潘文.结构静力弹塑性分析 (Push—over) 的原理和计算实例.建筑结构学报, 2000;21 (1) :37—43
[4] 潘文.Push-over方法的理论与应用.西安建筑科技大学, 2005:1—20
[5] Freeman S A. Development and use of capacity spectrum method.Proc 6th US National Conference on Earthquake Engineering, Seattle, 1998:12
[6] 中华人民共和国行业推荐性标准.公路桥梁抗震设计细则, JTG/T B02-01—2008.北京:人民交通出版社, 2008
[7] Applied Technology Council. Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings .Report ATC-40, 1996
[8] 范立础.桥梁抗震.上海:同济大学出版社, 1996
[9] 柳春光, 林皋.桥梁结构push-over方法抗震性能研究.大连理工大学学报, 2005;45 (3) :395—400
独柱墩桥梁 篇2
1 结构验算
1.1 工程概况
该独柱墩桥梁4 孔1 联, 是预应力混凝土等截面连续箱梁, 梁高1.2~1.335m, 跨径组合为20m+25m+25m+20m, 左右幅桥宽均为7.74m, 单面横坡2%。1, 2, 3 号桥墩采用独柱墩, 为加强桥梁横向稳定性, 2 号桥墩采用墩梁固结形式。桥台是肋板式桥台, 墩台采用钻孔灌注桩基础。
1.2 计算工况
在独柱墩桥梁的设计工作中, 其自身的安全隐患通常体现在三个层面。首先是在承受了偏心荷载的时候, 梁体自身的转矩会明显提高, 跨距越长独柱墩的数量也就会呈现出增多的趋势, 而在这样的情况下, 如果不能提供足够的抗扭作用, 桥梁结构就会产生非常严重的剪扭损坏。其次是独柱墩属于一种偏心受压构件, 如果其在运行的过程中承受了相对较大的偏心荷载, 就会使得立柱可能会出现损坏。再次是独柱墩梁受到了偏心荷载之后, 多支撑点的部分可能会出现脱空问题, 影响了桥梁整体的稳定性。
1) 持久状况下桥梁抗扭承载能力计算。根据相关规范计算截面的抗剪扭承载能力, 转矩设计值Td最大为1878k N·m, 对应允许值为4963k N·m。剪力设计值Vd最大为2817k N, 对应允许值为32160k N。桥上部结构抗扭承载能力符合相关规范, 并且结构的抗扭能力较强, 所以, 抗扭受力最不利位置为固结墩位置。
2) 桥梁在偏载作用的影响下, 上部结构和下部的倾覆性能也会出现一定的变化, 独柱墩之所以哦会出现倾覆的事故通常是因为车辆的或在离心力过大, 这样也就使得支座结构出现了脱空的问题, 在曲线桥梁设计的过程中, 这种问题十分的常见。在活载效应的影响下, 我们对制作反力敏感性进行了全面的分析, 在原公路一级荷载的条件下, 支座通常不会出现脱空的问题, 而实际应用和运行过程中的情况可能会和设计的情况产生一定的差异, 所以, 应该适当的增加一些活载效应, 每一级增加的荷载都应该是原来荷载的2成, 当增加到原来荷载等级的2 倍的时候, 某些内侧制作出现了脱空的问题, 这一桥梁在该荷载条件下有可能会发生倾覆的问题。
3) 独柱墩偏心受压承载能力验算。在验算的时候, 只计算最不利墩柱, 墩高9.1m, 立柱直径1.3m, 立柱箍筋直径10mm, 间距100mm;主筋直径25mm, 一共36 根。计算时, 选取立柱对应最大弯矩工况进行验算。
2 加固设计方案
在原桥梁结构的盐酸当中, 独柱墩偏心承受压力的能力不是很强, 此外, 结构自身的承载力也比较差, 所以结构自身也不是十分的安全和稳, 如果活载效应超过了承载的极限, 独柱墩就可能会存在着十分严重的安全问题, 为了避免这种现象, 在实际的工作中应该对独柱墩支撑在横向的两侧分别设置支撑点, 从而体现出加固的效果。其主要有以下特点:
首先, 在对结构进行加固处理的过程中设置了竖向的支撑点, 而竖向支撑对结构具有一定的约束作用, 这样也就明显的减少了全桥的转矩设计值。在以往的设计工作中, 上部结构通常比较容易受到转矩结构的负面影响, 在设置了竖向的支撑点以后, 上部结构的稳定性大大的提升, 这样也改善了结构整体的安全性。
其次, 在设置了竖向支撑点之后, 立柱的横向弯矩大大的下降, 以前的独柱墩在应用的过程中比较容易受到偏心受压的影响而产生非常严重的破坏现象。在加固处理之后, 独柱墩受到损坏的可能性明显下降, 这样也就使得独柱墩结构自身具备更强的抗荷载能力, 从而提升了结构自身的安全性和稳定性。
再次, 在使用了这种加固方案之后, 因为上部结构的转矩设计值在不断的下降, 原来双制作的位置就可能会产生一定的负反力, 这样也就使得支座的稳定性明显提高, 桥梁结构在运行的过程中安全性明显的提升, 为了更好的保证结构加固的最终效果, 结合施工方案自身的经济性, 提出了以下两种设计方案。
方案一:增设钢管混凝土立柱, 为了更好的确保桥梁的横向稳定性, 减小原来桥墩立柱在施工的过程中所承受的偏心受压作用, 在桥墩原来的立柱横向两侧加设一根钢管混凝土立柱, 这样的加固改造方式使得结构自身的安全性和稳定性明显的提升。因为桥墩承台的尺寸相对较大, 在设钢管混凝土立柱的过程中, 我们可以将其直接搭设在原结构的承台上面, 柱脚施工中主要借助的是植筋的处理方式, 将其和原来的承台紧密的连接在一起。在钢管立柱的类型方面, 在施工中可以选择螺旋钢管, 其直径达到了711mm, 同时壁厚度也达到了13mm。为了更好的保证承台和钢管立柱连接的质量和效果。在钢管当中还加设了植筋。为了有效的提高结构的整体性, 工程施工的过程中采用了H型钢进行加工。在原混凝土立柱和新增的立柱上都要设置钢箍, 这样就可以非常好的确保其和H型钢横系梁能够得到十分有效的连接。
方案二:设置预应力盖梁。这一方案是按照独墩柱具体的情况而提出的另一种加固设计方案。以往的独柱墩立柱的直径是130cm, 这一方案在立柱的顶面上设置了盖梁, 砌块高度为130cm, 厚度为160cm。为了更好的保证工程的质量, 一定要按照工程的具体情况, 采用后张预应力钢筋施工的方法, 预应力钢筋采用的是直径长度为32mm适当的高强精扎螺纹钢筋, 在预应力筋孔道施工的过程中, 采取定向取芯的方式, 施工要在原来的墩柱之内完成。
3 结论
独柱墩桥梁在很多方面都能展现出其自身的优势, 所以在桥梁建设中也得到了广泛的关注和应用, 但是在设计的过程中, 其所存在的安全隐患也必须要受到人们的重视, 在相关的规定中也没有对这一问题给出非常详细的标准, 在这样的情况下, 我们提出了两种可行的方案, 这两种方案一方面可以很好的保证结构的安全性和稳定性, 同时, 其也具有非常好的经济性。无论如何, 设计者在设计的过程中一定要充分的考虑到结构的安全性和可靠性, 这样才能确保交通的安全运行。
摘要：独柱墩桥梁在应用的过程中能够展现出很多方面的优势, 其占地面积相对较少, 同时美观性也非常强。所以在城市交通发展的过程中其也得到了十分广泛的应用, 但是这种结构的横向稳定性有着非常明显的不足, 在规范当中也没有给出一个十分详细而明确的规定, 所以在桥梁运行的过程中容易产生一些安全隐患。主要分析了连续独柱墩桥梁抗倾覆安全评价及加固设计方案, 以供参考和借鉴。
关键词：连续独柱墩桥梁,安全评价,抗倾覆,加固设计
参考文献
[1]王希超.4-20m独柱墩连续梁桥抗倾覆设计浅析[J].北方交通, 2013 (2) .
独柱墩桥梁 篇3
随着曲线钢箱梁桥的大规模使用,各种病害也随之发生,易发生安全事故,在社会上产生恶劣的负面影响。因此分析独柱墩曲线钢箱梁桥的常见病害,查找病害成因,采用相应的加固维修措施,整治曲线梁的现存病害,是十分必要的[2]。
1 工程概况
某立交桥G线匝道桥采用六跨钢箱连续梁桥,桩号为G13～G19。桥梁跨径为24.4 m+25 m+50 m+50 m+40 m+32.912 m。桥型平面图及横断面如图1所示。桥梁结构形式:上部结构为六跨钢箱连续梁桥,单箱3室;下部结构为圆柱形高墩及钻孔灌注桩基础。部分桥跨位于半径为R=85 m的平曲线上,部分桥跨位于半径R=2 000 m的竖曲线上,桥面纵坡0.3%～3.5%,桥面横坡为1%～2%,由钢箱梁的顶板自倾而成。该桥的一个边跨和一个次边跨为变高度梁,其余各跨均为等高度梁,梁高变化范围为0.95～1.50 m,按二次抛物线变化,是一个典型空间钢结构曲线。
2 病害类型
2.1 梁体位移
经现场实测,梁体发生了严重变位,实际位置偏移原设计位置位移量较大,各墩梁体位移量见表1。可知梁体径向位移最大值发生在G17墩,最大位移量为11 cm;切向位移最大值发生在G15墩,最大位移量为7.5 cm;扭转位移最大值发生在G15墩,最大位移量为1.37°(向外扭转)。
2.2 支座破坏
梁体发生位移后,各墩顶的橡胶支座均有不同程度的剪切变形和脱空。G13和G19墩顶内侧支座轻微脱空;G14、G15和G18墩柱支座剪切变形严重。
2.3 墩柱倾斜
在桥墩墩身上布置测点,分别采用垂线法和全站仪对墩柱垂直度进行测量,发现桥墩存在倾斜现象,各墩柱倾斜量测量结果见表2。可知,采用垂线法和全站仪测量墩柱的倾斜量取两者的平均值作为各墩柱的最终倾斜量。切向位移和径向位移的最大值均发生在G16墩,分别为59.0 mm和47.5 mm。
2.4 桩基承载力安全系数
根据原设计图纸和地质资料对桥的桩基承载力进行复核,计算结果见表3。可知,桩基承载力的安全系数为1.01～1.46,承载能力虽满足要求,但安全系数较小,桩长富裕量不足。
2.5 桥墩裂缝
桥G13～G19墩身都产生了裂缝,裂缝位置多发生在桥墩内侧,G15桥墩裂缝最为严重,裂缝最大宽度达到0.23 mm,深度5 mm。
2.6 伸缩缝破坏
由于主梁发生位移,G13和G19墩顶的伸缩缝均已完全破坏。
3 主要病害成因分析
3.1 梁体位移成因分析
造成梁体位移主要有以下3点原因[3]。
1)支座系统设置不合理。从整联桥的受力性能分析,上部结构所承受的扭矩不能通过G14～G18独柱墩单点支座来承担,而是通过G13和G19桥台处的双支座抵抗扭矩。中间墩采用单支座,梁体抵抗水平力作用较差,桥台处双支座抗扭性能很弱。
2)温度变化引起的横向累加位移。在温度变化长期作用下,曲线梁体因两端约束较大,中间部位在平面内缓慢向外侧移动和转动,升温时侧向位移为△1 (朝圆心外),降温时位移为△2 (朝圆心方向),在降温时,由于重力分力作用,△2<△1,如此循环,整个梁体不断向外移动。
3)车辆离心力作用。曲线梁桥由于温度变化在梁端产生了横向变形,在运营时汽车离心力也是指向外侧,并且产生主梁向外弧方向翻转的扭矩。在汽车动荷载反复作用下,梁体在横向的变形不能完全、及时地恢复,随着时间的延长而发生累计,从而使梁体发生横向位移。
3.2 支座和伸缩缝破坏成因分析
随着上部梁体的扭转和横向位移,支座发生了脱空和剪切变形等病害,伸缩缝也随之破坏。
3.3 桥墩倾斜成因分析
桥墩倾斜主要有2点原因[4]。
1)施工过程中,施工质量较差,测量精度不足。
2)在横向荷载作用下,桩基础产生挠曲变形,桩顶约束较小,桩头水平位移较大,从而导致桥墩倾斜。
3.4 桩基承载力安全系数较小成因分析
由于原设计荷载等级相对较低,且桥位于交通繁忙路段,车流量及车辆荷载均较大,通行车辆以大型拖挂车为主,超载现象严重,桥梁的实际通行荷载可能大于设计荷载,导致桩基承载力安全系数较小。
3.5 桥墩裂缝成因分析
桥墩裂缝主要有两点原因。
1)温度变化的影响。
2)混凝土收缩与徐变的影响。
4 加固维修措施
4.1 梁体复位和支座更换
梁体的变形和变位十分复杂,在3个方向6个自由度均存在不同程度的变形和变位,因此梁体复位对于桥梁加固工程非常关键[5]。主要包括:顶升梁体→梁体平移→调整坡度→更换支座→落梁就位步骤。具体顶升流程见图2。
4.2 支座系统重新布置
原桥G14～G18墩顶采用单支座,G13和G19桥台处采用双支座,拆除所有破坏的支座,同时为了提高整联钢箱梁桥的抗扭能力,将G14～G18墩顶单支座更改为双支座[6]。确保结构安全,方便施工,提出3种改造方案。
方案1:在墩柱上钻孔,安装钢承托,再安装支座(见图3)。
方案2:在墩柱上钻孔、植筋,并在原墩柱顶部浇筑混凝土盖梁,在盖梁上布置双支座(见图4)。为保证新增盖梁和原墩柱紧密结合,采用后张预应力筋施工方式。预应力筋采用直径为32 mm的高强精轧螺纹钢筋。
方案3:在墩柱上钻孔、植筋,增大墩柱的尺寸,使墩柱尺寸满足放置双支座的要求,在其上安装支座(见图5)。
对比方案1、方案2和方案3,方案3由于加宽了墩柱,恒载增加较多,同时也限制了桥下净空,影响正常通视,故不选用;而方案1和方案2简单可行,不存在以上弊病,增大了桥梁的抗扭能力,消除了倾覆的安全隐患,同时对原墩柱破坏较小。方案1与方案2的选取应考虑桥梁地理位置、结构形式以及施工技术水平等因素。
4.3 桩基础加固
针对桩基承载力安全系数较小、桩长富裕量不足的问题,采用以下2种方案对桩基加固补强,提高桩基承载力。
方案1:锚杆静压桩加固方案[7]。将锚杆和静力压桩结合形成桩基,原基础或桩基加固承台及上部结构传递来的重量作为压桩反力,通过压桩设备,将预制桩压入地基土中,然后封桩使静力压桩与原基础或承台连成整体,让新旧桩基共同承担上部使用荷载,达到提高桩基承载力和减少结构物沉降的目的。锚杆静压桩加固桩基所需空间较小,施工简单方便,对原桩无破坏作用。主要包括压桩和封桩2种施工工艺,具体工艺流程如图6和图7所示。
方案2:增补桩基加固方案[8]。在桩基础的周围补加钻孔桩,通过扩大原承台或增加新承台,将承台与桩顶连接在一起,使墩台的压力部分传递至新桩基,以此提高基础承载力,增加基础稳定性。为了确保基础加固的效果,增补桩基后,可在基础中预埋压浆管,对地基进行压浆处理,增加桩身侧摩阻力和桩底端承力。为使上部荷载由墩身很好地传递给新建承台,在新建承台与既有承台接触范围内,将原承台凿成锯齿状剪力键,设置钎钉;或采用植筋法连接新旧承台,通过植入的钢筋承接和传导弯矩及剪力,使新旧混凝土形成有机整体,达到扩大原承台尺寸的目的。
增补桩基如图8所示。为使新旧承台紧密贴合,在新旧承台相交处预留15 cm厚度的后浇带,新承台混凝土浇筑完成后,待混凝土强度达到要求后,将2个YBD100-15扁形千斤顶置于新旧承台间预留15 cm空隙内,千斤顶同步给油,待每个千斤顶顶升力达到设计荷载时,在预留范围内压注微膨胀水泥浆。
压力注浆前先用钢模板密封凹槽周围,顶模四角处预留4个直径2 cm的注浆圆孔;密封完成后,从压力注浆孔压注微膨胀水泥浆,待4个小孔均有水泥浆持续溢出时,方视为灌满。
5 结语
曲线梁桥受力复杂,病害成因多种多样,不仅有桥梁本身构造的问题,还与结构受力分析、温度和外荷载影响密切相关。本文以独柱墩曲线匝道桥为依托,分析曲线桥易发生的病害,查找病害成因,探讨了针对不同病害加固维修的措施。
1)独柱墩曲线桥采用单支座支撑上部梁体易产生位移,进而引发支座和伸缩缝破坏,设计时应综合考虑离心力和温度的影响;独柱墩曲线桥支座的选取、预偏心的设置以及支撑体系的布置都应加以注意。
2)针对独柱墩曲线桥产生的病害,经分析提出加固维修方案以供选择,为此类病害桥梁的加固改造提供参考依据。
3)独柱墩曲线桥结构型式简洁,受力复杂,设计时应综合考虑多种因素,运营期间应及时检查,发现病害,认真分析其成因,采取切实可行的加固措施。
参考文献
[1]周若来,陈卫东,曲线梁桥常见病害与设计要点[J].中外公路,2008(12):149-151.
[2]陈忠潮.曲线梁桥的病害及处置措施[J].结构工程师,2008(2):8-10.
[3]刘超,袁向荣.某匝道独柱曲线梁桥病害成因分析与对策[J].长春工程学院学报:自然科学版,2010,11(4):24-26.
[4]林春秀,吕文龙,李承海.广州某桥梁桥墩倾斜事故分析及处理[J].广东土木与建筑,2010(2):61-63.
[5]张伟明.桥梁梁体顶升、平移复位维修方案及施工工艺[J].广东交通职业技术学院学报,2009(8):35-37.
[6]杨党旗.华强立交A匝道独柱曲线梁桥病害分析及加固[J].桥梁建设,2003(2):58-61.
[7]郑庆平.锚杆静压桩在桥梁桩基加固中的应用[J].公路交通技术,2004(10):96-98.
独柱墩桥梁 篇4
目前国内对桥梁横向抗倾覆的研究较少, 相关规范也不是很完善, 而且对此相关的抗倾覆设备的研究更是寥寥无几[1]。现阶段桥梁的设计和验算的重点多集中在桥梁的抗弯承载力和抗剪承载能力方面, 对桥梁结构的整体稳定性关注严重不足, 由于对桥梁结构整体稳定性的重视和关注的不足, 此类由于桥梁倾覆稳定性不足的问题多被忽略, 而且加上对结构整体倾覆稳定性验算的相关规范规定的缺少和缺失, 以及车辆通行的严重超载、超限, 导致桥梁倾覆事件时有发生, 给社会和国家造成了巨大的经济损失以及造成了极其恶劣的影响[2]。现行城市桥梁设计规范提出了保证桥梁整体稳定性的要求, 但未给出明确的验算方法及相应标准[3]。
2 桥梁概况
哈尔滨市公滨路立交桥G线匝道钢箱连续梁桥位于哈尔滨市二环路快速干道中山路与公滨路交口, 是一座多层互通式立交桥。该设计中的6跨钢箱连续梁位于公滨路立交桥的G线匝道上, 桥梁跨径为 (24.4+25+50+50+40+32.912) m。该桥梁结构形式采用如下:上部结构采用6跨单箱三室连续钢箱梁, 下部结构采用圆柱形高墩及钻孔灌注桩基础。部分跨径位于半径为R=2000m的竖曲线上, 部分跨径位于半径为R=85m的平曲线上。经检测发现该匝道6跨, 7个桥墩支座均发生偏移, 横桥向或顺桥向偏移量为0.006mm~0.049mm。
3 抗倾覆桥墩装置
本次桥梁加固采用一种抗倾覆桥墩装置, 此装置为了解决独柱墩连续梁桥在横桥向采用单支撑座支承, 在车道偏载作用下, 可能发生整体横向失稳的问题, 所述装置的示意图如图1所示。
如图所示的装置包括:墩柱 (1) 、碳纤维布 (2) 、六个支撑柱 (3) 、钢抱箍组件 (4) 、和多个连接构件 (6) 。而钢抱箍组件 (4) 包括:多个半圆形肋板 (4-1) 、两个水平支撑板 (4-2) 、多个支撑肋板 (4-3) 、两个半圆形筒体 (4-4) 、四个连接板 (4-5) 和多个长方形肋板 (4-6) 。每个支撑柱 (3) 的上、下端面分别通过一个固定板进行固定, 且通过多个连接件 (6) 将两个固定板进行固定, 一个圆形肋板由两个半圆形肋板 (4-1) 组成, 而且通过四个连接板 (4-5) 将两个半圆形筒体 (4-4) 连接成一个完整的圆形筒体, 三个呈三角形设置的支撑柱 (3) 分别设在每个水平支撑板 (4-2) 的上表面上, 且每个支撑柱 (3) 轴向的中心线与圆形筒体轴向中心线重合。
4 结论
通过提取桥梁博士和Midas civil数据结果分析可知, 采用此新型抗倾覆桥墩机构能够很大程度上改善桥梁抗倾覆能力。到现在, 抗倾覆设计装置已应用到哈尔滨市公滨路立交桥G线匝道钢箱连续梁桥中, 在日后的正常运营中还要对其进行相关问题的研究和数据的观测, 以保证桥梁能够正常的使用。并为之后的工程实践, 以及相关的工程病害研究提供了宝贵的经验, 积累了经验。
摘要：以哈尔滨市公滨路立交桥G线匝道连续钢箱梁桥加固工程为例, 针对目前城市桥梁通常采用的独柱墩连续梁桥存在的受力和结构设计方面的问题和缺陷, 提出一种抗倾覆装置来加固桥梁。提供一种安全可靠的交通装置, 消除桥梁因倾覆侧翻而导致的事故发生, 并为之后的工程实践, 以及相关的工程病害研究提供了宝贵的经验, 积累了经验。
关键词：城市桥梁,独柱墩,抗倾覆装置
参考文献
[1]汪海涛.独柱墩匝道桥抗倾覆研究.
[2]李盼到, 马利君.独柱支撑匝道桥抗倾覆验算汽[J].车荷载研究.
独柱墩桥梁 篇5
1 工程概况
某匝道桥全长808.8 m,跨径布置为4×22 m+(13+20+13)m+3×20 m+2×(4×20 m)+(16.4+20+16.4)m+3×32 m+3×22 m+4×(3×20)m,平面处于R=190 m的圆曲线上,其中第7联3×32 m预应力混凝土连续箱梁桥上跨高速公路。桥面全宽10.5 m,横向布置为0.5 m(护栏)+9.5 m(行车道)+0.5 m(护栏),超高横坡为6%。设计荷载采用汽—超20、挂—120。
经检查,第7联(处于21#~24#墩)连续弯箱梁存在横向偏移,且24#过渡墩处横向偏移量达到了4.5 cm(朝向外弧侧),伸缩缝橡胶条发生剪切破坏,支承32 m桥跨的2个四氟滑板式橡胶支座分别存在5°(内弧侧支座)和20°(外弧侧支座)的剪切角,其中外弧侧支座的剪切变形达到了4 cm左右,而未发现支座有明显滑动的痕迹,第7联弯箱梁立面图如图1所示。重车经过时桥面振感、晃动明显。经跟踪观测,箱梁仍有继续偏移的趋势,将对桥梁安全造成较大隐患,管养单位及时封闭了桥面交通,并组织特殊检查和维修改造。
2 箱梁偏移与倾覆稳定分析
2.1 偏移原因分析
发生偏移的第7联为连续弯箱梁且中墩为连续两个独柱墩,22#、23#墩分别设置1个固定支座和1个双向活动支座,设10 cm预偏心,21#、24#过渡墩为盖梁双柱式墩身,各设2个四氟板式橡胶支座。支座布置平面图如图2所示。
弯箱梁的横向偏移有一个累积的过程,故应从施工、运营等阶段综合分析其成因,并理论联系实际。考虑桥墩的高度达到15~17 m,为了准确地反映上、下部结构的实际工作状态,在模型计算时应考虑箱梁、支座、桥墩、桩土联合作用影响。建模后,对预应力、活载、温度、超载等可能导致箱梁偏移的效应进行计算,重点分析箱梁横向偏移趋势和过渡墩支反力分布情况,并结合实际情况评估箱梁偏移、转动甚至倾覆的安全性[2,3]。
2.1.1 预应力效应
预应力效应产生在桥梁建设期间的纵向预应力筋张拉阶段,并考虑混凝土长期徐变效应进行计算,结果如表1、表2所示。
注:表中所示横向位移,“+”代表朝向外弧侧,“-”代表朝向内弧侧,下同。
2.1.2 活载离心力效应
当曲线半径小于250 m时,应考虑离心力效应。因活载离心力的作用方向总是朝向外弧侧,会造成箱梁向外弧侧变形的趋势,结果表明,计入预应力效应,21#墩横向位移+2 mm,24#墩横向位移+9 mm。
2.1.3 温度效应
结合桥梁所处地域的温差情况,选取偏不利的情况,假设体系温差35℃(升温)进行理论分析,结果表明,计入温度效应,21#墩横向位移-1 mm,24#墩横向位移+4 mm。
2.1.4 综合分析
通过以上对荷载、温度效应的分析,理论上箱梁会发生横向偏移,且在支座摩阻力的影响之下,该偏移量无法完全恢复,在多年积累之后,会达到一定的量值(上述分析的综合影响已达18 mm)。但是,该桥仅在1个桥墩上设固定支座,而挡块与箱梁之间也未抵紧,故缺乏有效的横向限位措施。
2.2 超载影响分析
经理论分析,设计荷载作用下21#、24#过渡墩处支座不会出现脱空现象,箱梁的倾覆稳定性可以满足设计规范要求。但是,根据管养单位对经过该桥超限车辆的调查,实际出现3辆超限车(100 t/车)同时上桥、同时偏向外弧侧车道行驶的可能性很大,而原设计单个车道偏载总重仅160 t,远低于实际情况,存在严重超载的情况。
理论分析时选取3辆100 t左右重车同时过桥且偏向外弧(贴近护栏内边缘)行驶,对过渡墩处箱梁的支反力进行计算。原则上,以21#或24#墩处内弧侧支座脱空为判断箱梁出现倾覆趋势的临界工况。如表3、表4所示。
当3辆重车总重超过330 t后,箱梁将可能发生整体转动,如果该现象出现在实际通行过程中,箱梁将很可能倾覆。因此,上部结构在超载车作用下存在倾覆安全隐患。
2.3 桥墩变形分析
因21#、24#墩基础原设计采用了一柱一桩的单排桩形式,且该墩两侧桥跨的跨径相差较大、墩身又较高,可能影响桥面的晃动、振感,故对下部进行分析。使得恒、活载竖向偏心作用引起的桥墩水平变形较为明显。经计算,考虑桩土共同作用下,21#、24#墩恒载作用产生的水平挠度为9 mm(偏向32 m桥跨方向);设计活载作用产生的水平挠度为-3~+6 mm(正号代表偏向32 m桥跨方向),即挠度幅度达到9 mm。此外,制动力也会产生一定的影响。在进一步分析桩基承载力过程中,发现原设计桩基竖向承载力富余很小。
因此,在设计荷载作用下,21#、24#墩将产生9~15 mm的水平挠度,如果发生超载,过渡墩的挠度会更大,且会对桩基的受力造成不利影响。对于原四氟板式橡胶支座,因墩柱反复发生挠曲变形,其四氟滑板的使用寿命也会大大缩短。故有必要加强两个过渡墩的整体刚度和桩基承载力。
3 维修改造措施
3.1 改变支座布置形式
箱梁倾覆稳定性不好的内在原因是其支座的布置形式不利于约束箱梁扭转,容易造成内弧侧支座脱空。对此,经过多次试算,如果仅通过调整21#、24#过渡墩处的支座位置(拉大支座中心距),其改善作用有限。经深入分析,将23#墩处的单支座支承改为双支座支承,将原“双-单-单-双”的支座布置形式改造为“双-单-双-双”,以确保箱梁在当前实际运行条件下的抗扭及抗倾覆安全。改造后支座布置平面图如图3所示。
3.2 提高墩身、桩基整体刚度
对21#、24#过渡墩采取扩大墩柱截面、增设桩基等方式,变单排桩为双排桩,提高桥墩与基础的整体抗推刚度,减小荷载作用下的挠曲变形,提高基础承载力。
对23#墩增设盖梁(设双支座),并采取增大截面方式,将圆形截面墩柱改造为多边形截面墩柱,提高23#墩的墩身刚度和抵抗不平衡弯矩的能力。
3.3 加强箱梁横向限位
取消21#、24#过渡墩处的原四氟滑板支座,更换为单向活动盆式橡胶支座和双向活动盆式橡胶支座;将23#墩处原双向活动盆式橡胶支座改为1个单向活动盆式橡胶支座和1个双向活动盆式橡胶支座,在提高抗扭能力的同时起到横向限位作用;增加过渡墩挡块刚度,加强对箱梁的横向限位能力,同时提高桥梁的抗震性能。
4 竖向同步顶升与横向顶推纠偏控制措施
对3跨连续箱梁进行整体竖向顶升,将箱梁自重完全转换到千斤顶上,此时梁体仅在22#墩处有固定支座进行纵、横向约束。通过在24#墩处安装一台水平千斤顶装置,横桥向施加水平顶推力,使箱梁绕22#墩固定支座转动,恢复到原来的平面位置。具体措施如下:
(1)在各墩处布置千斤顶和临时支撑,对箱梁进行竖向整体同步顶升,应避免22#墩固定支座上、下钢盆脱离;
(2)在21#、24#墩处,解除箱梁横向纠偏的位移约束条件,采取千斤顶与梁底之间布设四氟滑板(涂硅脂油)的方式减小摩阻力;
(3)在24#墩外弧侧的盖梁侧面及箱梁底面,通过植筋方式,增设顶推反力牛腿(钢结构);
(4)以增设牛腿作为反力装置,利用千斤顶横向顶推,促使箱梁复位。
同步顶升与横向顶推纠偏由多个复杂的阶段组成,尤其因23#墩顶升吨位大且构造形式、支座布置有较大改变,该墩上就涉及到两次支承体系转换。施工过程中梁体的平面和竖向位移控制都非常关键,该项目实施期间的主要安全控制原则如下[4,5]:
(1)竖向同步顶升期间,顶升力和顶升位移双控,以顶升点处的箱梁位移为主要控制指标,同时做好改造桥墩沉降的监测工作,确保箱梁不发生强迫位移;
(2)箱梁最大竖向顶升高度不超过5 mm;
(3)横向顶推纠偏期间,以顶推点处箱梁的平面位移为主要控制指标,顶推位移与设计值应尽量一致,误差不应超过5 mm;
(4)以理论顶推力作为箱梁实际顶推力的初始控制参考,在接近理论顶推力时,缓慢调整顶推力直至梁体开始滑动,实际测量得到顶推启动力。梁体开始转动后,调整顶推力使梁体缓慢、匀速地转动;
(5)分级顶推,每级顶推量为1 cm。
5 结论
弯箱梁发生偏移后,对偏移原因应从设计、施工、营运等角度进行全面分析,并采取合理有效的措施进行处置。
(1)应加强对连续独柱弯箱梁的检查,一旦发现箱梁偏移现象和量值积累增加的趋势,应立即采取跟踪观测措施,并尽快组织特殊检查且采取必要的交通安全保障措施;
(2)对偏移原因从设计阶段的预应力、温度、活载以及运营阶段的超载、超重等因素进行多方面综合分析,不仅要关注静力安全,还需要考虑规律性荷载作用下的爬移及抗倾覆富余度不足的情况;
(3)连续独柱弯箱梁偏移问题往往可能与箱梁倾覆稳定问题同时存在甚至相互影响,应同步分析。倾覆稳定性应考虑实际车辆荷载作用进行验算(尤其是超载),改造设计中稳定系数可以考虑一定的富余;
(4)改变箱梁支座布置形式(如单支座变双支座)这一措施对于加强箱梁扭转约束、提高稳定性较为有效,同时应采取恰当的横向限位措施;
(5)箱梁的纠偏改造涉及竖向顶升技术和横向顶推技术应用,设计应明确顶升(推)的安全控制指标和详细实施方案;同时,应由专业的监控单位对结构安全和施工流程等进行过程管控。
通过采取以上多项措施,该连续箱梁的纠偏改造顺利完成,在实现复位的同时,箱梁各支座处的支反力分布也趋于合理,整体稳定性得到提高并留有一定的余地。但是,在桥梁营运管理中,仍要加强对超限、超载车辆的治理,严禁多辆超限、超载车辆同时上桥的情况发生,主动防范安全事故。
参考文献
[1]邵荣光,夏淦.混凝土弯梁桥[M].北京:人民交通出版社,1994.
[2]赵景周.独柱支撑曲线混凝土连续箱梁桥侧向位移及其加固和限位措施研究[D].西安:长安大学,2011.
[3]刘华.预应力混凝土连续弯箱梁的侧向位移研究[D].南京:东南大学,2004.
[4]刘鹏.弯梁桥的评价与加固方法研究[D].西安:长安大学,2007.
独柱墩桥梁 篇6
1计算模型
计算桥梁桥宽12 m, 设计行车道数为3个, 桥墩为独柱墩形式, 其上支座为单支座, 桥台支座为双支座, 支座间距为6. 5 m, 桥梁支座布置形式及跨中截面如图1, 图2所示。计算程序运用mi- das civil 2015建立桥梁梁格模型。
2计算规范及荷载
现行的公路桥涵规范对抗倾覆稳定性的规定有禁止支座脱空的条款[2], 同时也规定采用整体式断面的中小跨径梁桥应进行上部结构抗倾覆验算[3]。规定弯桥上部结构的抗倾覆稳定系数应满足下式要求:
其中, γqf为抗倾覆稳定系数; RGi为成桥状态各个支座的支反力; xi为各个支座到倾覆轴线的垂直距离; μ 为冲击系数; qk为车道荷载中集中荷载; Ω 为倾覆轴线与横向加载车道围成的面积; Pk为车道荷载中集中荷载; e为横向加载车道到倾覆轴线垂直距离的最大值。在规范中为了有足够的安全储备规定最小抗倾覆稳定系数为2. 5, 在实际过程中稳定力矩等于抗倾覆稳定力矩 ( 抗倾覆稳定系数为1) 时为桥梁倾覆的临界状态。本文以上式为计算原则, 计算荷载包括恒载、活载以及5 mm基础不均匀沉降, 汽车荷载以最外侧车道进行布载, 并在以下三种汽车荷载工况的基础上进行荷载组合。工况一: 公路—Ⅰ 级车道荷载; 工况二: 1. 3倍公路—Ⅰ级车道荷载; 工况三: 3辆55 t重车组成的密集排列车队 ( 前后车辆车轮间距为7. 2 m) 。
3计算结果
3. 1不同桥台支座间距下的支座反力
本文选取曲率半径分别为50 m, 157. 5 m, 500 m条件下桥台分别设置6. 5 m, 6. 7 m, 6. 9 m, 7. 1 m的支座间距进行对比分析, 由于工况三作用下的支座反力与其他工况支座反力相比更加明显, 同时桥台内侧支座会出现负反力情况, 所以将工况三下2号、 5号支座的支座反力列于表1。
k N
从表1中可以看出桥台内侧2号与5号支座最小支座负反力随着支座间距的增大在不断减小, 表明桥台支座间距设置越大, 支座越不易发生脱空现象。同时我们也可以看出, 支座反力值随支座间距的变化大致成一种线性关系, 表明设置较大的桥台支座间距能使支座反力分布更加均匀。
3. 2不同桥墩支座预偏心下的支座反力
设置桥墩支座外侧预偏心分别为0 m, 0. 1 m, 0. 2 m进行对比分析, 在工况三下曲率半径分别为50 m, 157. 5 m, 500 m的计算结果见表2 ( 由于桥墩支座反力变化幅度很小故不予列出) 。
从表2中可以看出在工况三作用下, 桥台内侧支座会出现负反力的情况, 同时随着预偏心的增大, 2号、5号支座处负反力逐渐减小, 1号、6号支座反力也趋于减小, 可得出随着预偏心的增大, 支座反力的分布更加均匀, 从而使桥台外侧支座解压, 降低支座脱空的可能性[4]。
3. 3不同桥台支座间距下的抗倾覆稳定系数
选取桥台支座间距分别为6. 7 m, 6. 9 m, 7. 1 m三种布置形式在三种工况下进行桥梁抗倾覆稳定系数的计算, 其在工况三下的结果如表3所示。
从表3中可以看出随着桥台支座间距的增大, 抗倾覆稳定系数也是在不断增大的, 表明增大桥台支座间距有利于主梁的整体抗倾覆稳定性, 同时随曲率半径的变化, 抗倾覆稳定系数是先减小后增大的, 当曲率半径为157. 5 m时抗倾覆稳定系数达到最小, 此时刚好桥台外侧支座连线与桥墩支座连线共线, 主梁自重提供的抗倾覆稳定力矩达到最小, 因此此时是主梁抗倾覆稳定性最不利状态。同时可以看出在工况三下, 出现抗倾覆稳定系数小于2. 5的情况, 不符合规范要求。在工况三下曲率半径为50 m设置6. 7 m桥台支座间距时的支座处已经出现负反力, 表明支座已经发生脱空, 但计算的抗倾覆稳定系数要远大于2. 5, 这种情况表明仅靠支座脱空并不能判断主梁的整体抗倾覆稳定性, 支座脱空并不能反映出主梁整体倾覆。具体抗倾覆稳定系数变化曲线如图3所示。从图3中可得到曲率半径为157. 5 m时抗倾覆稳定系数达到最小, 同时曲率半径小于157. 5 m时其变化曲线较陡, 而曲率半径大于157. 5 m时变化曲线较缓, 表明曲率半径小于157. 5 m时主梁的抗倾覆稳定性对曲率半径的改变敏感, 而曲率半径大于157. 5 m时主梁的抗倾覆稳定性对曲率半径的改变较迟缓。
3. 4不同桥墩支座预偏心下的抗倾覆稳定性系数
在三种工况下选取桥墩支座外侧预偏心分别为0 m, 0. 1 m, 0. 2 m进行计算, 其在工况三下的计算结果如表4所示。
从表4中可以看出随着桥墩支座预偏心的增大抗倾覆稳定系数也相应增大, 表明适当增加桥墩支座预偏心有助于提高桥梁的整体抗倾覆稳定性。同时随支座预偏心的增大主梁的抗倾覆稳定系数的增大幅度比较明显, 表明增大支座预偏心是一种提高主梁整体抗倾覆稳定性的有效方法。
4结语
本文通过桥梁在不同支座布置形式下对最小支座反力及抗倾覆稳定系数的分析得到如下结论:
1) 仅靠支座脱空并不能判断主梁会发生整体倾覆。2 ) 对于三跨连续梁桥当桥台外侧支座连线与桥墩支座连线处于共线状态时为主梁整体抗倾覆稳定性最不利状态。3) 在实际工程中为提高主梁的整体抗倾覆稳定性可以通过增大支座间距和增大支座预偏心的方式来达到效果。同时增大支座间距和支座预偏心也会使主梁支座反力分布更加均匀。4) 该桥在3辆55 t车辆组作用下, 支座出现负反力, 同时抗倾覆稳定系数也出现小于2. 5的情况, 不满足规范要求, 因此密集排列车辆对桥梁抗倾覆稳定性很不利。所以在桥梁使用过程中应该进行限载和禁止重车外侧行驶, 并对运营中的独柱墩桥梁加强检测和动态观察。
参考文献
[1]交通部专家委员会.公路桥涵通用图[M].北京:人民交通出版社, 2007.
[2]JTG D60—2004, 公路桥涵设计通用规范[S].
[3]JTG D62—2012, 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 (讨论稿) [S].
独柱墩桥梁 篇7
1工程概况
北京市某立交桥建于1994年, 位于西北三环, 整个立交为三层定向式, 由西北三环主路高架桥及三条匝道桥组成。C和D两条匝道总长781. 45m, 本次抗倾覆加固范围为C、D匝道桥第一联。第一联桥上部结构采用现浇预应力钢筋混凝土连续箱梁, 桥梁中线曲线段半径为400米, 桥梁主梁为单箱单室, 主梁梁高1. 7米; 第一联桥下部结构中墩采用钢套管圆形墩柱, 直径D = 1. 25米, 墩柱采用C40无收缩混凝土浇注, 下接承台及钻孔灌注桩, 桩径1. 5米; 边墩盖梁混凝土强度等级为C45, 3个中墩支座采用球型支座, 边墩支座为4块四氟滑板式橡胶支座。独立支承曲线梁桥具有占用桥下空间小、整体结构美观的优点。 但曲线梁桥在外荷载的作用下会同时产生弯矩和扭矩, 无论采用何种支座布置方案, 曲线梁内总存在扭矩, 使梁截面处于弯扭耦合作用的状态, 其截面主拉应力往往比相应的直梁桥大得多。由于弯箱梁具有较强的抗扭性能, 因此设计中常常采用中间墩为独柱墩的连续多跨曲线梁结构, 而仅在桥跨端部设置抗扭支座。这种设计抗扭跨径较大, 当桥梁的跨数较多跨径较长时, 容易导致对此类结构整体的抗扭稳定性考虑不足。对于独柱支承直线桥梁在车辆偏载的作用下更容易发生倾覆安全问题。独柱支承桥梁抗倾覆安全验算在原设计规范中并没有明确的给出具体的计算方法, 而目前运营中的桥梁常有超载货车在独柱支承桥梁一侧密集行驶, 这也是导致近年来桥梁倾覆事件的发生。目前新版的公路桥梁设计规范已颁布实施, 规范里明确提出了独柱支承桥梁的抗倾覆验算计算方法和细则, 因此有必要对已有桥梁进行倾覆验算, 对倾覆安全系数不满足要求的桥梁进行加固设计。
2可调高支座加固法的工作原理
目前对独柱墩桥梁的抗倾覆加固的主要原则是改变桥梁结构的边界条件, 对其下部结构独柱墩进行加固改造的方式, 一般常用方法有独柱墩与主梁固结、独柱墩两侧设置双墩柱支承、独柱墩改造成片墩、独柱墩顶增设小盖梁[2], 进而增加抗倾覆辅助支座。独柱墩与主梁固结的方法需要验算固结以后温度力和地震力验算桥梁能够满足要求。独柱墩两侧设置双墩柱支承美观方面不足, 独柱墩改造成片墩要考虑桥下是否有空间施工。墩顶增设盖梁的方法, 外观轻盈、对桥下空间占用小。其自重轻, 对原结构基础增加的额外恒载较小; 施工快、周期短, 对桥面交通影响较小, 但对原独柱墩的抗力性能要求较高[3]。加固方法的选择需要根据原墩承载力测算和城市交通需求及道路空间等限定条件综合确定。本文重点研究抗力性能符合要求的情况下可调支座在增设盖梁法中的应用。
增设盖梁法是通过在盖梁顶部加设盆式橡胶支座, 把桥梁上部结构单支座支承改变成双支座或者三支座支承形式, 减小全桥扭矩作用, 调整支座反力, 降低支座脱空的可能性, 提高桥梁结构的整体抗倾覆性[4]。该法需要通过试算确定加固的独柱墩和新加盖梁顶部支座的最优偏移量, 保证结构受力符合各项要求。传统方法将支座安装后根据需要采用插入或抽出钢板的方法调整支座的高度, 但这种方法存在施工复杂, 精度不高等问题。近年来, 具有可调整高度功能的支座开始在一些大型桥梁、铁路和有轨电车的新建过程中进行应用, 可调节支座通过调节措施, 能改变自身的高度, 用于补偿由于地基沉降等原因造成的高差。
目前的可调支座主要有螺纹调高和充填聚氨酯调高两种方法[5]。
( 1) 螺纹调高支座法。螺纹调高支座法通过液压顶升后, 调节调高螺母行程来调节支座高度, 在一定范围内可以无极调整为任意高度。 根据需要, 螺纹调节支座可以上下双向无极调节, 并且可以多次重复调整。多功能螺纹调高支座可自带液压装置, 具备测力等功能, 缺点是使用寿命受到螺纹寿命的影响。 ( 2) 填充聚氨酯调高支座。填充聚氨酯调高支座利用双组份液态聚氨酯橡胶可“液固”转化的原理, 通过设置在支座下部的液体注入通道, 在注压泵的作用下将双组份液态聚氨酯注入支座内部, 使支座上部升高。填充聚氨酯调高支座利用液压泵进行顶升, 不需另外配备千斤顶, 缺点是只能升高不能降低, 并且注液通道只能使用一次, 调整次数有限。
3可调高支座加固法的施工技术
3. 1墩顶外包钢板
在墩柱顶部2米范围内表面清理、凿毛, 采用锚栓固定的方式外包钢板加固, 钢板与原墩顶外包钢板植筋采用改性环氧树脂粘钢胶进行粘接, 钢板顶和底与墩柱接触的缝, 采用封缝胶进行封缝处理。外包钢板箍分为两个半圆进行现场组装焊接, 采用滑轮倒链配合的方式进行吊运焊接安装。
3. 2新增盖梁施工
采用加长水钻钻精轧螺纹钢筋孔道→焊接新建盖梁顶面、底面和侧面钢板→安装可调支座→设置张拉锚区模板→从盖梁顶面钢板预留孔洞浇筑盖梁混凝土→待混凝土强度达设计强度90% 安装精轧螺纹钢筋并张拉→孔道灌浆- - 焊接盖梁端钢板→浇筑锚区混凝土的流程。 由于墩柱为圆柱体, 钻孔机支架无法安装在墩柱上, 需制作专用固定支架作为钻孔机的施工平台, 专用固定支架直接由工厂制作完成后, 运送至施工现场。在专用固定支架上需安装水平尺, 以保证进行钻孔过程中, 支架不会移动从而对钻孔的水平度造成影响 ( 如图1所示) 。
新增盖梁为钢制密闭结构, 且内部预埋波纹管、锚固区钢筋、钢板加劲肋等, 因此工序质量控制重点是确保混凝土浇筑饱满、密实。墩柱盖梁施工部位高度为9m, 且由于盖梁能够预留的浇筑口较小, 因此采用密闭泵送的方法进行自流平免振捣混凝土浇筑。在预留浇筑口位置密闭焊接泵管接头, 与泵送管带连接; 在盖梁顶板加劲肋板预留纵向排气孔, 在盖梁顶板预留观测孔和出气孔; 严格控制C45自流平混凝土的流动性和地泵泵送压力, 确保混凝土浇筑质量。
3. 3可调高支座的选用
调高支座利用盆式支座, 下支座板盆腔与橡胶板作为调高介质填充腔, 利用下支座板的填充通道将填充料填充到支座盆腔内, 填充料在填充时为液态, 填充完成后, 在一定时间内变成固态, 固化后填充材料各项性能指标与橡胶板一致, 与橡胶板一起成为满足支座转角的柔性固体材料。调高支座调高量0 - 20mm, 设计转角不小于 ± 0. 02rad, 适用温度- 40℃ - 60℃ , 主要承担汽车偏载反力[3] ( 如图2所示) 。
3. 4调高支座上、下套筒及上、下调平钢板的加工与安装就位
抗倾覆加固工程安装可调高支座, 每个支座包括4个上套筒 (含上锚杆) 和4个下套筒 (含4个下锚杆) 。上套筒安装需要对箱梁底部进行精确放线, 然后进行箱梁底钻孔, 通过上套筒植入试验, 使上套筒与箱梁底孔道间的缝隙内饱满的注入植筋胶。下套筒安装需要在新增盖梁中预埋。上调平钢板的精密加工, 能保证在上调平钢板底部水平的情况下, 使上调平钢板顶部与箱梁底更紧密的结合, 以保证后续支座的受力状况垂直稳定。由于是桥梁加固施工, 箱梁底部既有横坡又有纵坡, 对箱梁原有结构不能进行坡化, 故为了保证支座安装水平, 支座上调平钢板就需要根据箱梁底部实际横纵坡情况加工成四面坡楔型结构, 确保上调平钢板底部水平, 顶部与箱梁底紧密贴合, 使上部结构可自由变形而不产生额外的附加内力 (如图3所示) 。
3. 5调高支座聚氨酯的注入和调高
根据设计确定的支座顶升力, 采取分级顶升原则, 即: 预加力— 30% —60% —100% —持荷观察。调高时, 利用百分表实时监测并记录支座实际调整高度, 并通过预加力阶段调试检查调高设备实际工作状态; 每分级阶段之间保留5 - 10分钟时间间隔, 以完成监测读数及支座检查工作, 主要检查支座上升是否稳定、连续, 盆腔密闭性是否完好; 持荷观察阶段预留时间应保留10 - 20分钟为宜, 主要完成监测读数 ( 支座稳定工作状态下数据) 和支座工作状况观察 ( 密闭性、稳定性) , 若支座反力在达到设计要求后, 于观察阶段回落, 则及时再次进行调高以达到设计反力, 并进行观察, 直至调高施工结束后持续2 - 3天, 所测反力不再变化为止。
4可调高支座调高过程中的应力布点及监控
采用MIDAS IVIL有限元程序对桥进行建模计算分析, 建立空间梁单元模型。主梁采用单梁法模拟, 原桥的桩基础采用在基础顶部嵌固的方法模拟, 墩柱采用梁单元模拟, 中墩及边墩支座考虑三个方向的刚度来模拟。先进行成桥计算, 体系形成后, 在现况支座两侧增加顶力, 计算出顶起特定位移需要的顶力。在调高施工过程中, 采用的是双控原则 ( 顶力控制和位移控制)
4. 1应力监控
按照盆式支座设计规范, 承压橡胶板的容许应力[σ]=30MPa, 即:
4. 2位移监控
C、D匝道第一联为半径较大的曲线匝道 (如图4所示) 。根据设计要求, 支座调高需要分级控制实施, 达到缓慢均匀调高, 保证调高顶升的安全性和可控性, 并建立C匝道偏载计算模型 (如图5所示) , 通过预设施工中的荷载, 分析施工过程对桥梁结构的影响。支座调高施工完成后续监测观察, 新增支座仍可与主梁保持密贴状态, 能保证支座在倾覆荷载下正常工作, 达到抗倾覆的目的。支座调高施工顺序和主梁位移监测见表1 (以C匝道桥第一联为例) 。
从表1的测试结果可知, 在不同调高施工工况下, 主梁底面各标定位置的位移变化较小, 满足桥梁加固施工的技术要求, 而且测试结果与有限元计算模型的计算结果基本一致。通过建立有限元模型可较好地模拟桥梁加固施工中的应力和应变, 为桥梁的安全施工提供指导。
5结语
采用可调高支座法对独柱墩桥进行抗倾覆加固安全、可靠、易施工, 在独柱墩内外侧增加调高支座改变了桥梁支承体系, 加大了受力截面, 增加了有效支点。应力监控和位移监控均说明可调支座增设盖梁法是一种有效的、先进的解决独柱墩桥梁倾覆问题的加固方法, 加固后桥梁抗倾覆安全系数得到了很大提高。桥梁抗倾覆加固完成后如有条件可进行荷载试验, 以荷载试验数据可以进一步证明桥梁加固的有效性, 和理论计算倾覆安全系数对比验证, 也可为后续其他类似工程提供基础和依据。
摘要：独柱墩桥梁在偏心超载作用下, 由于本身抗倾覆能力较弱可能发生整体横向失稳, 从而引发桥梁安全事故。本文分析了现有独立墩防倾覆加固技术, 重点研究了可调高支座在增设盖梁加固法中的应用, 并以北京市最近实施防倾覆加固大修改造的某大桥为例, 详细介绍了支座安装调高过程。
关键词：桥梁工程,可调高支座,独柱墩桥,抗倾覆加固
参考文献
[1]张志浩.独柱墩梁桥的抗倾覆分析及加固对策研究[M].西安:长安大学, 2014.
[2]陈正立.互通匝道桥独柱墩抗倾覆加固设计探讨[J].城市建设理论研究, 2013 (8) :2-6.
[3]徐超.连续独柱墩桥梁抗倾覆安全评价及加固设计方案研究[J].交通科技, 2013 (5) :49-51.
[4]孙怀杰, 王兆辉.桥梁独柱墩加固维修及病害处理[J].中外公路, 2014 (2) :179-181.