市政技术


全国市政工程行业科技成果展示--独柱支承桥梁抗倾覆加固关键技术研究与应用


    独柱支承桥梁抗倾覆加固关键技术研究与应用项目于20119立项,201411完成。该项目研究北京市市政工程科学技术设计研究院、北京市市政工程设计研究总院有限公司、北京市工程管道及桥梁构件质量监督检验站等单位承担。项目研究成果获2014年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”二等奖,其成果适用于城市和公路独柱支承梁桥的抗倾覆加固

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北京四元桥匝道中墩扩大截面加固实景

    项目研究技术原理

    独柱支承连梁式桥在公路及城市道路立交设施中应用非常广泛。但由于独柱墩在横桥向采用单支点支撑,在汽车偏载作用下,对结构的横向抗倾覆稳定非常不利。目前我国的桥梁设计工作者关注的重点多集中于桥梁的抗弯、抗剪承载能力方面,对桥梁结构的整体稳定性关注不足,此类桥梁横向稳定性不足的问题多被忽略,再加上规范对结构整体横向稳定性验算规定的缺失,以及严重超载、超限车辆的通行,导致了各地多起桥梁倾覆事故的发生,造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。

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北京四元桥匝道花瓶墩柱加固实景

    独柱支承桥梁抗倾覆加固关键技术研究与应用项目研究通过对北京市及全国各地独柱支承梁式桥使用情况及典型病害、倾覆事故的深入调研,总结概括了各类独柱支承梁式桥倾覆破坏的本质特征,并通过对典型模型及实际案例的倾覆稳定性分析研究,制定了适用于验算独柱支承梁式桥倾覆稳定的方法和标准;研究了在独柱桥梁新设计中需要注意的设计和计算分析要点;对防止独柱支承梁式桥倾覆破坏的措施以及加固方法进行了深入研究,并将研究成果应用于独柱支承桥梁的抗倾覆加固实际工程。该项目研究旨在从规划设计、施工验收、日常养护及安全运营各个阶段均能实现有效控制,以确保桥梁安全

    课题主要研究内容包括:1独柱支承桥梁调查与倾覆事故调研2计算分析及标准制订3编制《北京市独柱支承梁式桥倾覆稳定性设计指南》4抗倾覆加固方法及措施研究5加固工程应用实例验证

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北京四元桥匝道调高支座实景

    关键技术及创新点

    目前国内类似的研究项目,其研究成果未揭示独柱支承梁式桥的倾覆本质特征,也未提出可行的计算方法及计算标准,国外规范也无此类研究项目及成果。该项目研究成果提出的独柱支承梁式桥倾覆验算方法、控制标准及具有警示功能的抗倾覆措施均属于原创性研究成果,填补了国内在现行规范、独柱支承梁式桥抗倾覆验算及抗倾覆措施方面的空白,达到了国内领先、国际先进的水平。

    该项目的关键技术和创新点如下。

    1)在大量调查及分析研究基础上,提出了独柱支承梁式桥在汽车活载作用下倾覆稳定控制原则和指标,填补了现行规范的空白。

    独柱支承体系差异化稳定安全系数:中墩固结独柱支承梁式桥控制为结构构件强度;中墩铰接直线独柱支承梁式桥以边支座脱空控制,安全系数不小于1.5;中墩铰接曲线独柱支承梁式桥以中墩转角达到0.03rad控制,安全系数不小于2.5。此部分研究成果提供给公路规范编制组,用于现行规范的修编工作,填补了规范空白。

    2)完成《北京市独柱支承梁式桥倾覆稳定性设计指南》,填补了国内空白。

    该《指南》编制目的:保证独柱支承梁式桥的倾覆稳定性能,避免出现桥梁倾覆事故,为现役桥梁的改造加固、新建桥梁的设计提供依据,达到从规划设计、施工验收、日常养护及安全运营各个阶段均能实现有效控制。《指南》根据独柱支承梁式桥受力特点及倾覆破坏特征,提出了一般设计要点和标准,明确了倾覆稳定性验算方法及标准,针对抗倾覆要求提出一系列构造措施,以及此类桥梁施工和使用中的相关要求。此部分研究内容为独柱支承现役桥梁加固、新建桥梁的抗倾覆安全方面提供了设计依据,为桥梁使用运营阶段的抗倾覆安全提供了技术保障,填补了国内空白。

    3)该项目研究所提出的抗倾覆加固方法,在多个实际工程中得到验证。

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北京南沙窝桥匝道抗倾覆新增小盖梁加固实景

    为增加桥梁抗倾覆安全储备,保证桥梁运营安全,避免交通、经济和社会损失,项目研究提出已建桥梁抗倾覆加固方法和措施,并在多个实际工程中得到验证。

    已建桥梁抗倾覆加固方法和措施包括通过调高支座对独柱支承梁桥作抗倾覆加固、加装抗倾覆拉力装置等。

    应用调高支座结合墩顶新增小盖梁或墩柱扩大截面的方式对现役桥梁进行抗倾覆加固加固施工,在调高支座安装、调高施工以及后期运营中开展了持续有效的第三方监控,积累了大量的第一手资料。调高支座用于抗倾覆加固,在原独柱墩顶部位置横桥方向新增设2个调高支座,以达到提高桥梁抗倾覆性能的目的,新增支座的支撑面由柱顶的小盖梁或柱身加大截面来提供。与应用常规支座相比,利用调高支座进行抗倾覆加固优点在于不需要千斤顶进行顶升后加支座,调高支座本身就可以起到千斤顶的作用,并且可以实现调高过程中的实时测力,对设计预定支座反力值达到精确控制。而使用千斤顶顶升增加普通支座的加固方式,新支座受力不可控,加固风险较大;主梁顶升需要中断桥面交通,加固施工对交通影响大,而且同步顶升作业的加固费用也较高。项目研究提出的桥梁抗倾覆加固方式,具有加固效果好、工程造价低、施工快捷、易于后期维护、对桥面交通及桥下空间影响小等多方面显著优势。

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北京桥万泉河桥匝道抗倾覆新增小盖梁加固实景

    4)抗倾覆专利装置的研发与应用。

    该项目研发了具有预警功能的抗倾覆拉力装置,可有效提高独柱支承梁式桥的抗倾覆能力,并能方便桥梁管理单位对运营车辆的管理,避免桥梁倾覆事故的发生。此专利装置已在多个现役桥梁抗倾覆加固实际工程中得到成功应用。

    在分析研究现役桥梁病害状况的基础上,为解决现役独柱支撑连续梁桥因日益加重的交通荷载而导致桥梁边墩支座脱空,直至引发桥梁倾覆的隐患,研发并申请了国家发明专利---“一种桥梁抗倾覆加固拉力装置及其施工方法”(专利号:ZL 2012 1 20137366.4)。此专利装置可为支座提供压力储备,增加抗扭力矩,避免边墩支座脱空,有效解决了横桥向产生较大变形影响行车及产生更大病害的问题。

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北京马家楼桥墩柱加宽新增支座加固实景

    项目成果的经济效益

    近年来,该课题研究成果已在北京市四元桥、南沙窝桥、苏州桥、万泉河桥、马家楼桥等城市立交的多座独柱支承连梁式匝道桥抗倾覆加固工程中得到了成功应用,取得了良好的经济效益。

    桥梁倾覆破坏为瞬时行为,类似于结构“脆性”破坏,防范困难,倾覆破坏事故一旦发生,将造成重大的经济损失和社会危害。该项目研究成果的应用,可在不增加过多工程投资的情况下,保证独柱支承梁式桥的抗倾覆安全性能。

    在进行新建桥梁设计时,参照规范修编条款和《北京市独柱支承梁式桥倾覆稳定性设计指南》中设计要点和标准,进一步明确倾覆稳定性验算方法及标准,可保障桥梁的抗倾覆安全性能,避免了桥梁后期运营管理中的加固和维修,可产生远期经济效益。

    指南》在明确倾覆稳定性验算方法及标准的同时,针对抗倾覆要求提出了一系列构造措施。其中,采用调高支座进行抗倾覆加固,对桥面交通不产生影响,避免了交通拥堵,经济及社会综合效益显著。调高支座用作抗倾覆加固支座,仅需利用其自备的液压顶升装置进行加压支顶及测力,无需采用专用千斤顶进行同步顶升作业,可显著降低加固工程造价。调高支座通过柱顶新增小盖梁或墩柱扩大截面的方式提供支承面,相比在原墩柱横向两侧各新增2个墩柱的加固方案,节约了工程投资,经济效益显著。

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北京马家楼桥抗倾覆加固拉力装置安装实景

    项目成果的社会效益

    桥梁是是关系到国计民生的重要交通工程构筑物,独柱支承梁式桥一旦发生倾覆,将直接导致桥梁坍塌重大恶性事故的发生,不仅会造成巨大的直接经济损失,也会导致人员伤亡、交通中断等严重后果,造成恶劣的社会影响。抗倾覆加固的关键技术研究和应用,可有效避免桥梁倾覆事故的发生,具有重大的社会效益,主要体现在以下几个方面。

    1)该项目研究成果提供给公路规范编制组,用于现行规范的修编工作,填补了相关规范空白。

    2)应用该项目研究成果,在新建独柱支承桥梁设计中,明确倾覆稳定性验算方法及标准,桥梁抗倾覆安全性能明显提高,桥梁运营安全得到保障。

    3)应用该项目研究成果,对多个现役的重要桥梁工程结构进行了抗倾覆安全性能评估,并对存在抗倾覆安全隐患的独柱桥进行了抗倾覆加固,形成一整套抗倾覆加固技术。对加固前的特殊检测、支座顶升及后期养护实施了第三方监控指导,积累了丰富的资料,为今后独柱支承连续梁桥抗倾覆加固施工积累了宝贵经验,可产生长远持续的良好社会效益

     北京市市政工程科学技术设计研究院 供稿)

    注:本文刊载于《市政技术》2016年第5期,第1、2、3页。