獨柱墩橋梁抗傾覆穩定性分析及加固設計

陳建華，熊志洪

（1.浙江省建筑設計研究院,浙江 杭州 310006;2.浙江省交通規劃設計研究院,浙江 杭州 310000）

獨柱墩橋梁抗傾覆穩定性分析及加固設計

陳建華1，熊志洪2

（1.浙江省建筑設計研究院,浙江 杭州 310006;2.浙江省交通規劃設計研究院,浙江 杭州 310000）

近年來，獨柱墩連續梁橋在超載和偏載情況下發生多起傾覆坍塌事故。結合工程實例，在原規范設計荷載基礎上適當提高驗算荷載，以驗算在役獨柱墩連續梁橋的抗傾覆穩定性，并有針對性地提出加固措施。

獨柱墩橋梁；抗傾覆；加固設計

0 引言

獨柱墩橋梁具有結構簡單、外形美觀、占用橋下空間小等多方面的優勢和特點，在城市立交橋和高速公路匝道橋中得到了廣泛應用。但由于獨柱墩墩頂較窄，橫橋向往往設置單支點支撐，在汽車偏心荷載作用下，獨柱墩連續梁橋的橫向抗傾覆穩定非常不利。近幾年，這種結構形式的橋梁在超載和偏載情況下已發生多起傾覆事故。本文結合工程實例，在原規范設計荷載基礎上適當提高驗算荷載，以驗算在役獨柱墩連續梁橋的抗傾覆穩定性，并有針對性地提出加固措施[1-5]。

1 工程概況

某樞紐A匝道橋第二聯為鋼筋混凝土連續箱梁橋，配跨為16 m+4×19 m+15.57 m，橋寬8.5 m，位于半徑R=55 m的曲線段，4、7、10號墩采用雙柱式橋墩、雙支座，其余橋墩采用獨柱式橋墩、單支座；D匝道橋第一聯為鋼筋混凝土連續箱梁橋，配跨為4×20 m，橋寬8.0 m，位于半徑R=280 m的曲線段，1、5號墩采用雙柱式橋墩、雙支座，其余橋墩采用獨柱式橋墩、單支座；F匝道橋第一聯為鋼筋混凝土連續箱梁橋，配跨為19.527 m+4×20 m，橋寬8.25 m，位于半徑R=60 m的曲線段，1、6號墩采用雙柱式橋墩、雙支座，其余橋墩采用獨柱式橋墩、單支座。

2 驗算荷載選取

對國內多起獨柱墩連續梁橋坍塌事故進行分析，發現橋梁坍塌時，均有好幾輛超載車同時行駛于橋梁一側。針對這一交通現狀，除了加強“治超”外，對橋梁進行抗傾覆穩定性驗算時不能采用常規標準荷載。本次驗算的汽車荷載分別采用浙江省公路管理局文件中規定的獨柱墩抗傾覆驗算汽車荷載的3種工況。

工況1：《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）規定的公路—Ⅰ級荷載。

工況2：1.3倍公路—Ⅰ級車道荷載。

計算支座反力時，均布荷載標準值qk應乘以1.3的系數，集中荷載標準值Pk應乘以1.3的系數進行計算，按實際的車道數進行加載。

工況3：重車（1.2倍標準荷載）自定義車輛荷載。

考慮車輛超載情況，按如下模擬車輛荷載車道：按1.2倍的規范55 t車輛荷載進行加載計算，車隊縱向兩車的前后輪輪距為10 m，按實際的車道數進行加載。

3 原結構驗算

3.1 驗算模型

由于驗算重點在于各工況下支座反力情況，因此平面計算軟件不適用，應采用空間桿系有限元軟件。筆者選用國內較常用的橋梁軟件Midas Civil分別對這3聯獨柱墩連續彎梁橋進行驗算。具體模型見圖1～圖3。

圖1 A匝道橋第二聯計算模型

圖2 D匝道橋第一聯計算模型

圖3 F匝道橋第一聯計算模型

3.2 驗算結果及分析

橋梁的橫向穩定性計算包括支座脫空計算和抗傾覆系數計算。橋梁的傾覆過程是在汽車荷載作用下，單向受壓支座依次脫空，由于邊界條件失效而失去平衡的過程。橋梁的抗傾覆系數即抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值，兩者分別為成橋支反力和汽車活載對傾覆軸線的彎矩值。

（1）支座反力

按工況1～3活載條件進行計算，考慮橋梁恒載、整體升降溫、局部溫差、支座不均勻沉降等方面的影響，得到各荷載組合作用下各墩支座的最小反力，其中組合1、2、3分別表示包含工況1、2、3的最不利荷載組合，計算結果見表1～表3。

由表1知，A匝道橋第二聯，在組合2作用下，4、10號墩的內側支座出現了負反力；在組合3作用下，4、7、10號墩的內側支座出現了負反力。由表2知，D匝道橋第一聯，在組合3作用下，0號臺和4號墩的內側支座出現了負反力。由表3知，F匝道橋第一聯，在組合1、2、3作用下，0號臺和5號墩的內側支座均出現了負反力。

（2）抗傾覆系數

沿最不利的傾覆軸線，A匝道橋第二聯在組合1、2、3作用下的抗傾覆系數分別為 2.97、2.51、2.30；D匝道橋第一聯在組合1、2、3作用下的抗傾覆系數分別為2.09、1.67、1.34；F匝道橋第一聯在組合 1、2、3作用下的抗傾覆系數分別為 2.46、2.00、1.58。

表1 A匝道橋第二聯各墩支座最小反力計算結果

表2 D匝道橋第一聯各墩支座最小反力計算結果

表3 F匝道橋第一聯各墩支座最小反力計算結果 kN

4 加固措施

4.1 加固方案

本次加固設計主要為提高橋梁的抗傾覆穩定性，采用增加支座的方式比較有效。A匝道橋第二聯采用端橫梁加寬的方式加固治理（見圖4）：在端橫梁處向橫向兩側各加寬1.25 m，新增梁體下各設一個支座，新增支座與原有支座橫向間距1.25 m。D匝道橋第一聯采用新增獨柱墩小蓋梁的方式加固治理（見圖5）：在獨柱墩頂部橫橋向各拼寬一個橫橋向長1.25 m，豎向高1.4 m，縱橋向寬0.8 m的蓋梁，兩側新增小蓋梁上各設一個支座，新增支座與原支座橫向間距1.25 m。F匝道橋第一聯采用拼寬墩柱的方式加固治理（見圖6）：處理后橫向墩柱寬度為4.4 m，柱頂橫向各增設一個支座，新增支座與原有支座橫橋向間距為1.4 m。

圖4 A匝道橋第二聯加固方案

圖5 D匝道橋第一聯加固方案

圖6 F匝道橋第一聯加固方案

考慮到橋梁交通繁忙，抗傾覆加固施工時盡量保證橋梁正常運營，新增支座與原橋間采用粘鋼調平層處理。因此新增支座不承受原橋恒載，僅承受橋梁活載，新增支座為只受壓支座。

4.2 加固效果分析

經加固處理并增設支座后，A匝道橋第二聯僅在組合3作用下，端支座出現支座負反力，其數值比加固前小得多；D匝道橋第一聯和F匝道橋第一聯在組合1、2、3作用下均未出現支座負反力；各橋沿最不利的傾覆軸線的傾覆系數也比加固前要大不少。從分析結果可知，在抗傾覆加固處理中，采用增設支座是比較有效果的。

（1）支座反力

考慮新增支座后，各橋的支反力詳見表4～表6。

表4 A匝道橋第二聯（加固后）各墩支座最小反力計算結果 kN

表5 D匝道橋第一聯（加固后）各墩支座最小反力計算結果 kN

表6 F匝道橋第一聯（加固后）各墩支座最小反力計算結果 kN

由表4知，端橫梁加寬并增設支座后，A匝道橋第二聯，在組合3作用下，4、7號墩的內側支座出現了負反力，其4號墩內側支座的負反力比加固前小得多。由表5知，獨柱墩兩側新增小蓋梁并加設支座后，D匝道橋第一聯，在組合1、2、3作用下，墩臺支座均未出現負反力。由表6知，墩柱拼寬并增設支座后，F匝道橋第一聯，在組合1、2、3作用下，墩臺支座均未出現負反力。

（2）抗傾覆系數

經加固處理并增設支座后，沿最不利的傾覆軸線，A匝道橋第二聯在組合1、2、3作用下的抗傾覆系數分別為3.28、2.79、2.62；D匝道橋第一聯在組合1、2、3作用下的抗傾覆系數分別為3.19、2.68、2.49；F匝道橋第一聯在組合1、2、3作用下的抗傾覆系數分別為3.25、2.77、2.75。

5 結語

獨柱墩連續梁橋具有較多優點，并在城市立交橋和高速公路匝道橋中得到了廣泛應用。但由于獨柱墩單支座的存在，這種橋型的橫向抗傾覆穩定性較為不利。本文結合工程實例，對某樞紐現役的3聯獨柱墩連續梁橋進行了抗傾覆驗算，并提出了相應的加固處理措施，可為同類工程的抗傾覆驗算和加固處理提供借鑒。

[1]JTG D60-2004,公路橋涵設計通用規范[S].

[2]浙江省公路管理局.浙公路[2009]102號 關于開展營運公路獨柱式橋墩橋梁穩定性驗算復核工作的通知[Z].2009

[3]汪芳芳,徐祖恩,嚴偉飛.獨柱墩橋梁抗傾覆安全分析及加固設計技術研究[J].浙江交通職業技術學院學報,2014,15(4):13-18

[4]許東風,吳連勛.獨柱墩連續彎梁橋抗傾覆穩定性驗算方法及加固措施[J].公路交通技術,2015(4):89-93.

[5]張海偉,嚴偉飛,史錦飛.獨柱墩式連續梁橋抗傾覆分析及加固設計[J].浙江交通職業技術學院學報,2015,16(1):5-7.

U441

B

1009-7716（2017）04-0084-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.025

2017-02-09

陳建華（1982-），男，浙江臨海人，工程師，從事橋梁設計工作。