淺談桂江立交匝道獨柱墩加固設計

關孝森

摘 要：桂江立交為曲線梁橋獨柱墩結構，橋梁在下部中墩設計時，在總體布局上為減少占用土地、改善下部結構布局、增加視野和橋形美觀，其下部墩采用獨柱墩設計。根據檢測報告，桂江立交匝道出現主梁開裂、墩柱開裂、主梁向外偏轉而使支座脫空等病害，由于曲線梁橋受力狀態較為復雜，在對匝道曲線梁加固設計中，做好抗傾覆驗算至關重要。因此本文結合桂江立交曲線梁橋獨柱墩加固設計的成功經驗進行探討。

關鍵詞：曲線梁橋;獨柱墩;抗傾覆驗算

1 概述

佛山市南海區桂江立交是南海區與周邊市區連接的重要的樞紐型互通式立交，是連接南海大道、桂和路和海八路的一座全互通立交橋;采用板苜蓿葉式和半定向式相結合的線性，空間形式為三層半式立交;于1997年建成通車。桂江立交共由三條主線橋及八條匝道橋組成，上部結構采用預應力整體式箱梁。原設計匝道橋過渡墩采用了獨柱墩上設蓋梁，雙支座;中墩采用獨柱墩單支座形式，支座居中布置。

根據《橋梁檢測報告》以及現場調查顯示，桂江立交匝道一、二、三、四等4座彎橋出現曲線梁出現扭轉，箱梁腹板及底板開裂，獨柱墩墩頂支座內側脫空，獨柱墩出現多處橫向裂縫等，橋梁存在傾覆的危險，急需進行加固設計。

2 匝道橋獨柱曲線梁病害原因的分析

2.1 曲線梁橋獨柱墩結構受力分析

曲線梁橋受力特點是獨柱支承曲線梁加偏心受力，由于主梁的平面彎曲使得下部結構墩往的支承點不在同一條直線上，梁體在自重和預應力荷載作用下容易出現扭矩和扭轉。經驗算，本項目匝道橋均位于平曲線半徑R≤80m的曲線段落上，預應力荷載作用最大扭矩值達縱向最大彎矩值的30%左右，巨大的扭矩力從而導致箱梁腹板豎向開裂，底板橫向開裂。

由于曲線梁下部結構中墩采用獨柱墩結構設計，獨柱墩支承曲線梁橋處采用單支座連接，支點抗扭能力較弱，梁體的整體穩定性較差。當主梁偏心受力傳遞到梁端部及支座時，會造成過渡墩頂部支座橫向受力不均，個別支座還會出現負反力想象，從而導致支座支座脫空，增加了曲線梁的扭矩和變形。

2.2 匝道橋獨柱曲線梁抗傾覆驗算

根據曲線梁橋受力特點，對桂江立交梁體進行全面的整體受力計算分析，根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018），在作用標準值組合下，連續梁橋中箱梁的作用效應組合應符合下列要求：

結構計算采用空間桿系有限元程序Midas及平面桿系有限元程序QJX計算進行建模計算。

抗傾覆穩定性安全系數K=1.4小于kqf =2.5，不滿足規范要求，需要采取措施加大梁體的抗傾覆能力。

3 桂江立交獨柱墩曲線梁加固設計方案

3.1 獨柱墩曲線梁加固思路

針對本項目為小半徑平曲線段落的現澆箱梁較多的特點，曲線梁橋需要采用合理的支承方式，減少曲線梁的扭矩和偏心對其曲線梁體、獨柱橋墩結構內力影響，使彎橋結構受力采用的支承方式更加合理：

（1）現澆箱梁端橫隔梁下橫橋向設置雙支座，當橋梁位于平曲線小半徑的曲線段落時，將端橫隔梁寬度加大，并加大雙支座橫橋向寬度;中橫隔梁在條件具備時，采用雙柱雙支座，對于橋下受限而采用獨柱時，將獨柱支承中心向曲線外側偏移。上述措施，可有效地提高主梁的橫向抗扭性能，均可使支座受力更加合理，避免支座脫空，保證梁體的橫向穩定性。

（2）采用獨柱墩的三跨現澆連續箱梁橋，為加強橋梁上下部的整體性能，抵抗溫度位移及橫橋向離心力，均固結一個墩柱，采用獨柱墩頂與梁固結的方式。墩柱可承擔一部分主梁扭矩，對主梁的扭轉變形有一定約束，并增強梁體的橫向穩定性。

（3）連續箱梁橋進行縱向預應力張拉工藝時，箱梁結構采用搭架逐跨施工，整體一次現澆，逐跨張拉預應力鋼束，分次落架的施工順序，縱向預應力鋼束布置在腹板中，采用相對應錨具或聯接器張拉錨固。經對梁體進行結構驗算，該工藝可有效地減少梁體的預應力損失和曲線梁的扭矩。

3.2 獨柱墩曲線梁加固方案

經對原桂江立交匝道橋曲線梁進行驗算，并進行全面的整體的空間受力計算分析，橋梁的抗傾覆承載力不能滿足設計要求。加固設計的結構設計必須對其在承受縱向彎曲、扭轉和翹曲作用下，結合自重、預應力和汽車活載等荷載進行詳細的受力分析，充分考慮其結構的空間受力特點才能得到安全可靠的結構設計。由于桂江立交梁體出現翻轉，內側支座脫空，蓋梁開裂等，本次加固方案在多種維修加固設計措施中，選用了粘貼鋼板加固法與增大梁截面加固法相結合，地采用了擴大截面并外套鋼管箍的方式進行加固，本次加固方案為對該4個匝道的獨柱墩進行擴大截面設計，先在獨柱墩外套一個2.2m的鋼管箍，鋼管箍與橋墩外緣留有50cm的空隙，鋼管箍與橋墩間的空隙內填C40微膨脹混凝土，墩頂通過加勁鋼板使獨柱墩與曲線梁進行固結處理，并調整外套鋼管箍位置，使支撐中心往外側偏心來改善曲線梁橋受力的平衡設計。曲線梁獨柱墩加固設計如下圖：

匝道橋曲線梁獨柱墩加固后，再次對匝道曲線梁進行抗傾覆驗算，加固后橫向抗傾覆穩定性安全系數K=3.6，大于kqf =2.5，滿足規范要求。

經過橋梁檢測，鋼管箍和內填混凝土能充分粘結，沒有出現脫空，鋼管箍和混凝土共同聯合受力，墩頂與梁固結處加勁鋼板的粘鋼效果良好。加固后桂江立交匝道橋經過多年的使用，橋梁使用狀況良好，曲線梁箱梁腹板及底板的裂縫沒有繼續發展，墩頂支座更換后沒有出現再次脫空，墩頂加勁鋼板與梁體的固結效果良好，獨柱墩的抗傾覆能力和梁體的橫向穩定性得到有效的提升，橋梁承載力滿足設計要求。

4 結論

（1）橋梁通車兩年后，對匝道橋進行了全面的特殊檢查項目。橋梁靜態測試，在等效設計荷載作用下，實測應變及撓度均小于理論計算值，縱向傳力能力良好，橫向傳力能力基本正常，卸載后應變及變形基本恢復，試驗跨最大正彎矩及負彎矩承載能力均基本滿足原設計要求。橋梁動態測試，由模態試驗前1階實測主頻和理論計算值對比可以看出，實測自振頻率值均大于理論計算值，說明加固后的橋梁整體剛度大于理論剛度，橋梁承載力滿足設計要求。

（2）舊橋加固的措施很多，有體外預應力加固、粘貼鋼板加固法、增大梁截面加固法、碳纖維布補強等，本次加固方案采用粘貼鋼板加固法與增大梁截面加固法相結合，創新地采用了擴大截面并外套鋼管箍進行加固墩柱墩的方式，該設計堅固耐用，結構的強度和剛度都有明顯的提高，該設計對日后的曲線梁橋獨柱墩加固設計的提供了成功經驗。

參考文獻：

[1]姚玲森.平面曲線連續梁支撐方式對內力的影響.

[2]謝萬春.獨柱支撐的連續預應力彎箱梁橋設計.

[3]邵容光.混凝土連續彎箱梁橋[M].人民出版社，1996.5.

[4]孫廣華.曲線梁橋計算[M].人民出版社，1996.5.

[5]劉普堯.關于城市立交橋橋梁設計技術的分析[J].建材與裝飾，2011.9.