某独柱墩桥梁钢盖梁加固局部受力分析

余 晖

(湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015)

0 引言

近年来，我国高速、市政桥梁因大型运输车辆造成的倾覆、坍塌事件偶有发生，造成了非常严重的社会影响和巨大的财产损失。尤其是近期发生的湖北鄂州高速公路桥梁倾覆事件，将独柱墩整治推向了一个新的高潮。由于时代局限性，所采用老规范《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)对独柱墩桥梁倾覆性要求并不完善，随着我国交通量的急剧增长，部分独柱墩桥梁已经无法满足抗倾覆要求，存在较大的安全隐患。为此，交通运输部于2021年3月下发了关于《公路危旧桥梁排查和改造技术要求》的通知，对独柱墩验算及加固提出了明确的要求。独柱墩常采用的加固方式有增设横向支座、门架式加固、增加抗拉拔支座等[1-2]。为此，相关人员开展了大量的独柱墩加固研究，吕毅刚等[3]探究了独柱墩曲线梁桥的抗倾覆计算方法，并通过有限元的方法进行了验证；周健民等[4]根据杠杆原理，提出了一种基于拉压杆的新型独柱墩加固结构，并通过实际工程应用验证了其适用性和通用性；岳尕朝[5]以青海高速公路独柱墩为研究对象，分析了不同独柱墩加固方案的适用性；刘骁[6]对加固的钢盖梁进行了整体承载力分析，验证了钢盖梁加固的有效性。

桥梁抗倾覆性能可通过诸多方法提高，但各种方法加固效果有所不同，加固结构本身的受力也值得我们重点关注。若出现加固结构本身的受力破坏，不仅达不到加固效果，甚至可能给桥梁结构带来负面影响。目前大部分研究均集中于桥梁抗倾覆性能分析，对加固结构本身的受力规律研究较少。基于此，本文以某独柱墩加固通用钢盖梁为研究对象，建立精细化三维有限元模型，分析钢盖梁本身的局部受力问题。所得结果可为类似独柱墩加固工程提供参考。

1 工程概况

本文以某在役独柱墩桥梁为工程背景，桥跨布置为(20+30+20)m，上部结构为箱型梁，下部结构采用单支座独柱墩。验算结果表明，该桥抗倾覆性能不满足要求，拟采用钢盖梁进行加固。加固后将单点支撑调整为3点支撑，恒载由原支座承受，活载反力由3个支座共同承担。当桥梁存在倾覆趋势时，独柱墩位置原支座与倾覆方向同侧支座共同抵抗倾覆力矩。盖梁顶部长3800mm，高1714mm，采用Q355NHC钢板。在原有支座两侧分别布设一抗拉拔支座，钢板相互焊接并采用螺栓固定于混凝土独柱墩上，钢套筒与墩柱间预留3～5mm间隙，采用压力注浆方式。钢盖梁Q355钢材弹性模量取206GPa，泊松比取0.3，密度为7850kg /m3，屈服强度取355MPa。钢盖梁构造见图1。钢盖梁分N1～N9共9组板件，板件主要尺寸见表1。

(a) 立面图

表1 主要部件尺寸与材料钢板编号规格/mm3数量材料N11 130×30×1 3302Q355NHCN21 526×20×1 6954Q355NHCN31 526×30×1 3002Q355NHCN42 130×20×1 3002Q355NHCN5615×20×4404Q355NHCN5’615×20×1 0904Q355NHCN62 355×20×1 7742Q355NHCN71 300×20×2502Q355NHCN8400×10×6022Q355NHCN91 774×5×802Q355NHC

2 有限元模拟

使用ABAQUS建立钢盖梁有限元模型，独柱墩混凝土柱采用C3D8R三维8节点实体单元模拟，由于钢盖梁各构件均为薄壁板件，故N1～N9板件采用S4R壳单元模拟。为简化计算，各钢板之间的焊接、螺栓连接等均使用Tie绑定连接的方式进行定义，通过设置各构件间的相互作用公差容许值消除Assembly模块中装配公差带来的影响。在Mesh模块中对各部件进行分网，为兼顾计算精度与速度，本模型统一采用0.05布种分网。在load模块中对混凝土柱底部采用全约束边界，将支座反力转化为面荷载施加于支座垫石上，支座垫石与钢盖梁之间同样采用Tie约束绑定。考虑到最不利偏载时，上部结构箱梁将发生转动，单侧支座将会脱空，因此在进行最不利偏载布载时，只需在中间支座和单侧受载支座施加荷载。根据Midas/Civil整体计算结果，考虑恒载+活载最不利荷载工况时，原支座受荷2465.9kN，单边支座受荷3581.2kN，本文将上部荷载转化为面荷载分别施加在原支座与受荷侧新增支座上(见图2)。有限元模型见图3。

图2 最不利工况加载示意

(a) 钢盖梁各板件

3 局部分析结果

3.1 静力分析

以恒载+活载作为基本荷载组合，计算荷载取公路-Ⅰ级，分析最不利偏载作用下钢盖梁应力及变形分布规律。考虑到钢盖梁由多块板件拼接而成，钢板相互拼接处截面几何特性发生突变，极易产生应力集中现象，因此，将各钢板相互拼接处的受力作为分析重点。

图4为钢盖梁整体模型应力、变形云图，其给出了钢盖梁在最不利偏载布载作用下整体应力及变形分布情况。最不利荷载下钢盖梁处于合理受力状态 ，各部件均正常工作，未发生失稳破坏，应力峰值为155.4 MPa；由图4可知，右侧受荷钢盖梁变形较大，位移峰值为1.42 mm，位于钢盖梁悬臂端处。

(a) 应力(单位： Pa)

图5为钢套筒应力、变形云图，其给出了钢套筒在最不利偏载作用下应力及变形分布情况。钢套筒应力分布由上至下呈增大趋势，对混凝土柱顶面中心取矩，分析钢盖梁受力机理可知，上部荷载通过N3板传递至其余各钢板，钢套筒右侧上部受拉、下部受压，荷载在下部钢板与套筒连接处形成反力，平衡由上部偏载产生的偏心距。钢套筒与右侧盖梁连接处，应力出现明显的局部增大现象，应力云图呈三角形分布，越接近底边应力值越高，尤其是钢套筒与N4钢板椭圆弧边连接处，N4钢板下部弧形边缘对钢套筒形成明显的剪切力，连接处局部压应力峰值达129.5 MPa。钢套筒各处计算应力值远低于材料设计强度许用值，且具有一定的安全储备，钢套筒变形峰值出现在N3板与套筒连接处，变形峰值为0.57 mm。

(a) 应力(单位： Pa)

图6为外钢板应力、变形云图，其给出了钢盖梁外钢板在最不利偏载作用下应力及变形分布情况。由图6可知，钢盖梁外钢板应力峰值位于N4板下部椭圆弧中心处，为145MPa，外钢板中N4板平均应力最高，约为58.4MPa；N7板平均应力最低，约为5.9MPa。N3钢板受荷处因支座截面形式的原因出现两处局部应力集中，应力峰值达143.8MPa，其余各钢板均未出现明显的应力集中现象。外钢板各处计算应力值远低于材料设计强度许用值，且具有较大的安全储备，满足设计规范要求。钢盖梁外钢板变形峰值为受荷侧悬臂端端部，变形峰值约为1.42mm，其中X、Y、Z向位移分别为0.52、0.01、-1.32 mm，两侧N2板呈现“外鼓”趋势，最大Y向位移0.08 mm，符合变形控制要求。

(a) 应力(单位： Pa)

图7为肋钢板应力、变形云图，其给出了肋钢板在最不利偏载作用下应力及变形分布情况。由图7可知，沿Y向装配的N5与N5*钢板应力值较低，沿X向装配的N1钢板计算应力值较高，且由于支座端部边缘与N1钢板呈垂直方向，受荷接触面较小，上部支座传递下来的荷载在N1钢板处形成了明显的应力集中，应力峰值为155.4 MPa，以该点为圆心，应力沿半径方向逐渐降低。肋钢板各处计算应力值远低于材料设计强度许用值，且具有较大的安全储备，满足设计规范要求。但支座与肋钢板的相对位置不合理，造成N1肋板出现应力集中；为避免应力集中现象，可以适当降低N5与N5*板间的间距或改变支座位置，使N1、N5、N5*在支座底部的投影呈“工”型而非“T”型，此时，肋钢板上缘的受力面积变大，钢盖梁稳定性进一步提升。肋钢板变形特点与外钢板基本一致，变形峰值位于N1板最外侧，变形峰值为1.39 mm。

(a) 应力(单位： Pa)

图8为钢衬垫与钢板条应力、变形云图，其给出了钢衬垫与钢板条在最不利偏载作用下应力及变形分布情况。由图8可知，钢衬垫与钢板条耦合受力体系应力及变形均沿Z轴方向呈线性变化趋势。钢衬垫上部应力值较大，下部较小，峰值应力为36.1MPa；各钢板条受力较均匀，其中上部钢板条平均应力约为12.64MPa，最下方两块钢板条应力较低，约为3.2MPa。钢衬垫与钢板条耦合体系计算应力值远低于材料设计强度许用值，且具有较大的安全储备，满足规范设计要求。钢衬垫、钢板条最大变形均为0.28mm，与钢套筒连接位置基本一致，连接处未发生相对滑移，满足变形控制条件。

(a) 应力(单位： Pa)

3.2 屈曲分析

以恒载+活载作为基本荷载组合，研究钢盖梁在最不利偏载作用下主要承重板件的稳定性。使用ABAQUS中Linear perturbation分析步的Buckle选项对钢盖梁进行屈曲分析，对右侧支座施加1 kN的基准荷载，定义失稳系数为一阶屈曲特征值，提取前4阶屈曲模态，如图9所示。1阶屈曲的计算结果显示，钢盖梁N4板件最先发生局部屈曲，这是由于该位置肋钢板布置较多，相比其他板件更容易出现应力集中。该钢盖梁结构失稳系数为36.82，稳定性良好。对比2、3、4阶屈曲模态可知，偏载作用下钢盖梁N4板发生不同形态的屈曲，钢板屈曲形态主要以“外鼓”为主。综合分析钢盖梁屈曲计算结果，N4板在极限荷载下最为薄弱，必要时可采用更厚的钢板规格或作其他加强处理。

(a) 1阶屈曲模态

4 结论

以目前独柱墩钢加固中常用的钢盖梁为研究对象，建立三维精细化有限元模型，采用现行规范的最不利偏载布置标准，研究了最不利偏载作用下钢盖梁的受力规律，得到了以下结论：

1)在最不利偏载作用下，钢盖梁整体应力、变形和稳定性均满足规范要求，本文中钢盖梁应力峰值为155.4 MPa，远小于材料允许值。采用该结构形式的钢盖梁对独柱墩进行加固合理可行。

2)钢盖梁局部可通过调整板件或支座间距改善局部受力，降低应力集中现象。以本文为例，可降低N5与N5*板间的间距或改变支座位置，使N1、N5、N5*在支座底部的投影呈“T”型，增大其受力面积，改善局部受力。

3)根据屈曲计算结果，钢盖梁N4板在极限荷载下最为薄弱 ，必要时可做加强处理。