城市橋梁抗傾覆設(shè)計方法與施工技術(shù)分析

陳偉勝

（湖南輝達規(guī)劃勘測設(shè)計研究有限公司，湖南 長沙 410004）

0 引言

隨著我國城市化快速發(fā)展，城市的人口和物資等各類資源都高度集中，城市的建設(shè)也不斷擴大，為了滿足人們的出行需求以及貨物運輸需求，需要建設(shè)更多的交通基礎(chǔ)設(shè)施，這其中城市橋梁的建設(shè)需求量也在不斷增加。城市橋梁可以顯著地緩解路面交通通行效率，提高節(jié)點區(qū)域的通行安全，但這與橋梁的安全運營密切相關(guān)。

在交通運輸產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢下，超載重載運輸問題仍然是我國目前的社會現(xiàn)狀，而超載重載問題引起的橋梁損害和垮塌問題也是逐年出現(xiàn)，這造成了很大的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響。例如2016年上海某高架橋就在一輛違規(guī)行駛的超載車作用下出現(xiàn)壓坍現(xiàn)象，事故雖然沒有引起橋梁的垮塌破壞，但是導(dǎo)致后續(xù)幾天整個高架路大面積交通擁堵[1-2]。因此對城市橋梁應(yīng)該考慮超載車作用下的橋梁橫向穩(wěn)定問題，設(shè)計抗傾覆措施，并對已有橋梁進行抗傾覆加固施工，確保橋梁在各種荷載作用下都具有很好的安全儲備，保障橋梁的運營安全性。

本文首先分析橋梁的抗傾覆設(shè)計原理和方法，明確傾覆機理和設(shè)計應(yīng)對措施。其次針對已有橋梁不能滿足抗傾覆要求的，提出加固方法和詳細的施工措施，保障其安全性。

1 梁橋的傾覆機理與抗傾覆設(shè)計

為了進行城市梁橋的抗傾覆設(shè)計，首先需要明確梁橋的傾覆機理和過程，才能采取相應(yīng)的抗傾覆設(shè)計措施，確保橋梁橫向的穩(wěn)定性。

1.1 梁橋的傾覆機理分析

梁橋結(jié)構(gòu)的橫向轉(zhuǎn)動問題是剛體轉(zhuǎn)動的過程，發(fā)生梁橋的橫向傾覆失效包括外因和內(nèi)因兩個層面，其中內(nèi)因是主導(dǎo)因素，而外因是誘發(fā)因素。

在內(nèi)因方面，設(shè)計構(gòu)造不合理使得梁橋在極端荷載情況下橫向是可以轉(zhuǎn)動的體系，如圖1所示。由于梁橋的設(shè)計主要滿足豎向平面內(nèi)的抗彎和抗剪性能，對于橫向的穩(wěn)定問題往往忽略。因此梁橋的支撐體系主要滿足豎向平面內(nèi)需求，對于橫向的支撐設(shè)計較少。當(dāng)在采用獨柱墩設(shè)計且橋面寬度較大的情況下，梁橋橫向穩(wěn)定的傾覆軸就是最外側(cè)支座連線。這種情況下如果是直線橋則最外側(cè)支座布置的位置直接影響傾覆穩(wěn)定性；如果是曲線橋梁則因為彎扭耦合效應(yīng)內(nèi)側(cè)支座很容易脫空導(dǎo)致梁橋向外傾覆概率增大。因此端支座的布置位置以及中間是否采用獨柱墩是影響梁橋傾覆的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容。

圖1 梁橋的橫向傾覆示意圖

在外因方面，引發(fā)梁橋橫向傾覆的主要荷載是車輛活載，如果出現(xiàn)行駛的車輛集中作用在最外側(cè)車道的情況下，則傾覆垮塌的風(fēng)險大大增加。從目前多座橋梁傾覆倒塌的事件來看，超載重載車輛同時靠近外側(cè)車道行駛是誘發(fā)橋梁垮塌的核心要素。

根據(jù)傾覆機理的分析，傾覆失效過程可以通過下式進行描述：

式中：K是傾覆系數(shù)；M1是抵抗彎矩；M2是傾覆彎矩。

傾覆安全性就是抵抗彎矩和傾覆彎矩之間的博弈，傾覆彎矩就是路面車輛荷載作用下引起梁橋向傾覆側(cè)翻轉(zhuǎn)的彎矩和，抵抗彎矩就是梁體自重作用下對傾覆軸的穩(wěn)定力矩。上述傾覆判斷建立在極限傾覆狀態(tài)，從正常狀態(tài)到極限狀態(tài)涉及支座反力重分配和梁體變形等二次效應(yīng)，但是橋梁的傾覆轉(zhuǎn)動失效仍然是剛體行為?？紤]到二次效應(yīng)和安全儲備，傾覆系數(shù)應(yīng)該滿足K≥2。

1.2 梁橋的傾覆設(shè)計措施

梁橋的傾覆失效是由超載重載車輛的作用產(chǎn)生的，然而車輛的超載問題在我國目前社會現(xiàn)狀下難以通過管理手段規(guī)避，因此需要從橋梁結(jié)構(gòu)的角度進行設(shè)計優(yōu)化[3]，使得梁橋的抗傾覆能力提高。

首先應(yīng)該研究車輛荷載引起的傾覆荷載效應(yīng)。根據(jù)建設(shè)橋梁的具體區(qū)域的運營車輛荷載特點，根據(jù)橋梁設(shè)計圖紙建立模型進行驗算分析，形成適用于該橋梁的車輛荷載模型，作為橋梁設(shè)計合理性的驗算基礎(chǔ)。其次根據(jù)路線規(guī)劃需求設(shè)計橋梁的基本形式。由于城市環(huán)境的路線往往是平面曲線和縱向曲線較多，這種情況下應(yīng)盡量避免在直線梁橋或者接近直線的曲線梁橋設(shè)置獨柱墩，因此這類橋梁若采用獨柱墩則傾覆失效的風(fēng)險非常大。再則根據(jù)設(shè)計的橋梁基本布置形式對橋梁進行構(gòu)造優(yōu)化，特別是為了減少地面用地空間采用的曲線梁橋獨柱墩形式，應(yīng)對獨柱墩處的支座設(shè)置一定的偏心或者直接設(shè)計為雙支座，還可以將獨柱墩與橋梁進行固結(jié)處理。最后對于獨柱墩梁橋需要設(shè)計一定的抗拔支座或者鋼筋，目的是使得極端荷載作用下降低支座出現(xiàn)負反力的風(fēng)險，在運營中也可以設(shè)計監(jiān)測設(shè)備實時分析支座的反力狀態(tài)。

2 橋抗傾覆加固施工技術(shù)分析

目前隨著國內(nèi)多座梁橋傾覆事故的發(fā)生，梁橋的橫向穩(wěn)定問題得到了設(shè)計者的關(guān)注，因此不合理的結(jié)構(gòu)形式在一定程度上得到了避免。但是目前運營的諸多橋梁存在很大的橫向傾覆隱患，因此需要對這些橋梁進行必要的加固設(shè)計，總結(jié)施工方法與技術(shù)，提高運營橋梁的使用壽命和安全問題。針對已建橋梁的橫向傾覆風(fēng)險，有以下幾種加固措施可供選擇[4-6]，各加固措施的施工技術(shù)和方法總結(jié)如下。

2.1 設(shè)置抗拉支撐結(jié)構(gòu)

支座脫空是橋梁傾覆的第一環(huán)節(jié)，為了避免橋梁的傾覆失穩(wěn)問題，就需要減少支座脫空的問題?？梢栽谝呀蛄旱闹ё恢迷O(shè)置抗拔和抗扭支座，約束梁體在車輛荷載偏載作用下的扭轉(zhuǎn)，避免因為支座出現(xiàn)脫空導(dǎo)致梁體的支撐體系發(fā)生變化引起二次效應(yīng)顯著增加（見圖2）。

圖2 主梁設(shè)計抗拔支座的方案圖

抗拉支撐的施工可以分別在墩柱和梁體上進行，基本不影響梁體本身的運營使用，在墩柱和梁體上下分別引伸出來的支撐結(jié)構(gòu)進行連接，因此可以防止支座脫空問題?？估谓Y(jié)構(gòu)幾乎不影響路面交通，施工簡單方便且構(gòu)造明確，但是受限于抗拉支座的錨固連接，抗拉支座的強度受到一定程度的限制，因此主要用于可能支座反力較小的情況。

2.2 單支座改為雙支撐

獨柱墩單支座體系使得傾覆軸內(nèi)的車輛荷載作用面積太大，極大地增加了梁橋傾覆失穩(wěn)的風(fēng)險，因此將單支座改造為雙支撐也是一種優(yōu)選方法，可以提高主梁的抗扭能力避免橫向傾覆（見圖 3）。

圖3 單支座改為雙支座的方案圖

單支座改造為雙支撐體系，需要蓋梁位置具有設(shè)置雙支撐的空間。如果原來的獨柱墩蓋梁尺寸較大可以直接設(shè)置雙支座，可以通過頂升方法將梁體頂升起來，并切掉原有支座同時設(shè)置新的支座；如果原來的獨柱墩蓋梁空間較小而不能設(shè)置雙支座，需要對原來的蓋梁進行橫向加固，通過增大面積方法進行蓋梁加固。單支座改雙支撐方法可以明顯提高主梁的抗扭能力，但是需要驗算橫隔梁的安全性，因此往往也需要對橫隔梁進行加固改造，且施工過程涉及植筋、澆筑混凝土、橫梁加固等問題，需要干擾路面交通，整體施工工序較為煩瑣。

2.3 提高端橫梁支座間距

根據(jù)梁橋的橫向傾覆機理，傾覆軸往往由端橫梁最外側(cè)支座連線組成，因此端橫梁支座位置就決定了傾覆區(qū)域車輛所能布置的橋面空間。如果端橫梁支座靠近外側(cè)布置，則橋面范圍內(nèi)的傾覆區(qū)域的車輛布置空間有限，橋梁的安全性能夠得到大幅度提高。

在端橫梁位置增加支座間距，可以根據(jù)目前蓋梁的尺寸設(shè)置最大的支座間距布置方案，并以此對原來的端橫梁進行橫向增大截面來加固。該方法對于寬幅箱梁橋的加固效果較好，可以非常顯著地提高梁體的抗扭性能，且相對于其他方案的加固量極少，只需要對端橫梁位置進行加固。存在的缺點是主梁端橫梁需要接長，收到預(yù)應(yīng)力的影響可能植筋難度較大，而且支點處的橫梁需要按照規(guī)范要求進行加固驗算。

3 結(jié)語

城市化大力發(fā)展的背景下，需要增加交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以滿足人們的生產(chǎn)和生活需求，這其中橋梁結(jié)構(gòu)的安全問題尤其需要被關(guān)注。近年來已經(jīng)發(fā)生了多起橋梁傾覆事故，產(chǎn)生了惡劣的社會影響，因此需要加強對城市橋梁的抗傾覆設(shè)計與研究。本文詳細分析了城市橋梁的傾覆失效機理和抗傾覆設(shè)計方法，針對新建橋梁提出了抗傾覆設(shè)計原則和構(gòu)造措施，對于已建橋梁給出了傾覆加固方法和施工技術(shù)。增強城市橋梁的運營安全性，為城市正常運作提供保障。