曲线独柱墩连续箱梁抗倾覆加固设计实践
2015-09-14
引言
在城市高架、城市立交桥以及高速公路的匝道桥建设中，独柱式桥墩连续梁桥由于具有结构轻巧，桥下通透性好、视野开阔，易适应地形，下部工程量小等优点而在桥梁工程中广泛采用，在很多跨线桥的空间位置受到限制的情况下，往往成了唯一的桥型选择。
但是，随着独柱连续箱梁桥应用的推广，许多过去未曾预料到的问题逐渐显现出来，其中最引人注目的要属桥梁整体倾覆的问题。如 2012 年 8月24日，哈尔滨阳明滩跨江大桥一段引桥发生整体塌落，造成不小的经济损失和极为不良的社会影响。箱梁桥倾覆过程是在活载的倾覆作用下，上部结构整体失去平衡的破坏。结构倾覆时，事前并无明显表征，其危害性极大。因此，对已建连续箱梁配独柱墩桥型的横向整体抗倾覆能力进行验算，并对不满足要求的箱梁进行加固设计就成了当前一个重要课题。
验算力学模型的建立及求解
桥梁在一个平面内，由若干个支座支承，要发生整体倾覆，总是存在一个翻转轴，在外力的变化下，这个翻转轴的一个方向翻转的力矩不断增大，达到并超过了整个结构对于这个翻转轴所能承受的抵抗翻转力矩，整体结构就会发生翻转并倾覆。
任意两个最外侧支座的连线就构成一个翻转轴,当翻转轴外侧的活载力矩过大,超过箱梁自重所能承受的抵抗力矩后,箱梁整体将向偏载一侧翻转。
为了分析桥梁横向抗倾覆能力,先做出以下假设,以简化问题：
(1)桥梁整体简化为一个平面结构；
(2)桥梁纵横向强度、刚度满足要求,即不会发生除横向倾覆失稳以外的其他破坏形式；
(3)计算抗倾覆能力时,不考虑桥梁变形对受力的影响，即假定桥梁整体上部结构为刚体。
可以用抗倾覆稳定系数作为评价连续梁桥抗倾覆能力的指标，计算公式如下。
式中：—抗倾覆稳定系数；
—使上部结构倾覆的作用效应；
—使上部结构稳定的作用效应。
现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）中未对箱梁上部结构抗倾覆稳定性验算进行规定，本次验算参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（征求意见稿）第4.1.9条，该条规定如下：
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。上部结构的抗倾覆稳定系数应满足下式要求：
式中：——抗倾覆稳定系数；
——使上部结构倾覆的汽车荷载（含冲击作用）标准值效应；
——使上部结构稳定的作用效应标准组合。
原设计结构概况
本文加固项目为某互通立交匝道桥的一联箱梁，跨径组合为：2*20+19.3m。上部结构为钢筋混凝土连续箱梁，箱梁平面位于A=179.444，R=230的缓和线和圆曲线上，桥面宽8.5m。
过渡墩采用D=100cm的双柱墩，支座间距2.5m；桩基采用两根D=120cm的钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩中心间距320cm；桩、墩间采用厚150cm的承台相连。
非过渡墩采用D=120cm独柱墩，墩柱中心与箱梁中心重合；桩基采用两根D=120cm的钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩中心间距320cm；桩、墩间采用厚150cm的承台相连。
结构加固措施
根据以上验算结果及施工条件的要求，为保证结构的抗倾覆稳定安全性，设计加固方案在原有独柱墩的外侧包裹混凝土形成圆端形板式墩。墩身横桥向宽3.5m，顺桥向宽1.5m，两端设D=1.5m圆弧，以弱化墩身体量，改善加固后结构的景观效果。墩顶横桥向设两个支座，支座间距2.5m，加强结构抗倾覆性能。
经上述墩身加固处理，中间非过渡墩均采用双支座，箱梁倾覆轴线发生变化，箱梁加固。
1、植筋
混凝土表面处理：根据要求并结合现场测量定位，在墩柱、承台新旧混凝土结合面，凿除6～8mm厚的表层砂浆，使坚实的混凝土石外露，并凿成凹凸不平的粗糙面，再用钢丝轮清除表面浮浆，剔除表层疏松物。
钻孔植筋：依照要求放出需钻孔的位置，并用钢筋测试仪探明原桥钢筋位置，调整并最终确定钻孔位置，然后钻孔。钻孔时应避免碰及原有钢筋。孔径和孔深应严格按设计要求施工。灌入植筋的粘合剂应采用符合要求的产品，施工工艺必须符合植筋技术要求。为减少钻孔对截面的削弱，植筋钻孔应分两批进行，相邻钢筋应间隔先后施工。待第一批植筋胶固化后方可进行第二批钢筋的钻孔施工。
2、安装梁底调平钢板
根据调平钢板四角高度，加工调平钢板成楔形。钢板加工前需对箱梁对应位置进测量，可根据现场情况对钢板四角高程进行适当调整，保证钢板安装后，其顶面与梁底面密贴，钢板底面水平。
凿除钢板黏贴区混凝土表面的表层砂浆，使坚实的混凝土石外露，并形成平整的粗糙面，表面不平处应用尖凿轻凿整平，剔除表层疏松物。根据调平钢板锚栓孔、支座钢板锚栓孔位置进行钻孔，均匀涂抹环氧树脂砂浆，采用锚栓固定调平钢板。
3、浇注墩柱混凝土
立模浇注墩柱混凝土，新老砼结合面在砼浇注之前均刷(或喷)界面胶，注意预埋支座垫石的预埋钢筋。
4、顶升箱梁、增加支座
顶升箱梁施工时应封闭交通。支座更换应采用整联顶升，横桥向必须严格同步。顶升梁体的临时支架应满足强度、刚度及稳定性的要求。新支座施工完毕后拆除原有支座。本联箱梁恒载总重约880吨。
小结
本文以箱梁整体刚性假设为基础，采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（征求意见稿）的抗倾覆稳定计算公式，验算了某互通立交匝道桥连续箱梁的抗倾覆稳定性，在稳定系数较小的情况下进行了加固方案的设计，并详细设计了加固的施工流程。经验算，加固后的箱梁可以满足抗倾覆稳定的安全要求。目前，该联箱梁已完成的加固的施工且运营良好。
