一種獨柱墩彎橋的抗傾覆裝置

董閣 ，黃衛(wèi)東 ，汪東林

(1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能與環(huán)保技術及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088；3.安徽建筑大學，安徽 合肥 230601)

1 引言

獨柱墩橋梁由于具有減少占用土地、增加視野和橋型美觀的優(yōu)點，被廣泛應用于我國城市高架橋中。但獨柱墩橋梁的抗傾覆能力較差，在卡車超載情況下，容易誘發(fā)傾覆。如2009年7月15日，津晉高速公路港塘收費站800m外，匝道橋(屬于獨柱墩橋梁)上有5輛載重型車通過時，獨柱墩橋梁發(fā)生傾覆坍塌；2011年2月22日，在上虞縣道南春線春暉互通立交橋引匝道 (屬于獨柱墩橋梁)4輛超重貨車靠邊行駛并連著上橋，導致橋面由于偏載加超重發(fā)生坍塌事故；2012年8月24日，哈爾濱市三環(huán)路高架橋洪湖路上橋匝道 (屬于獨柱墩橋梁)處，有4輛超載重型車輛(其總重為485t)并行且靠獨柱墩橋梁的一邊行駛，屬嚴重超載再額外加上嚴重偏載，導致獨柱墩橋梁發(fā)生倒塌；2019年10月10日，無錫市境內(nèi)312國道上跨錫港路高架橋，由于車輛偏載超載，導致該段梁橋所受傾覆力矩大于抗傾覆力矩出現(xiàn)橋面?zhèn)确瑯蛳?輛小車被壓。

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展交通車流量日益增大，特別是偶現(xiàn)超載嚴重的卡車違規(guī)上橋（有的超載高達200%以上），導致獨柱墩高架橋存在較大的安全隱患。特別是獨柱墩彎橋（主要為匝道）處，橋梁容易向外側傾覆，其傾覆方向具有可預見性。為此，本文探討一種對獨柱墩彎橋的加固裝置。

2 獨柱墩彎橋加固方法

一種獨柱墩彎橋的鋼結構加固裝置，如圖1與圖2所示，包括鋼筒、鋼梁與托板；鋼筒包裹在橋墩外圍，鋼筒底部焊接有應力擴散板，應力擴散板壓在承臺上；鋼筒上部一側焊接有鋼梁，鋼筒與鋼梁下部之間焊接有三角架；鋼梁端部上表面焊接有托板，鋼梁與托板下部之間焊接有加筋肋；鋼梁上的托板與橋面一側的底部接觸。

圖1 加裝加固裝置后的橋梁主視圖

圖2 加裝加固裝置后的橋梁三維結構示意圖

彎橋的外側是指外弧線一側，內(nèi)側是指內(nèi)弧線一側，外弧線的半徑大于內(nèi)弧線的半徑。在較大的偏載作用下，獨柱墩彎橋容易向外側傾覆，其傾覆方向具有可預見性。所提裝置的托板支撐在彎橋外側橋面的底部。

鋼筒的內(nèi)徑略大于橋墩的外徑；鋼筒由多塊鋼板焊接而成，鋼筒上設置多處鏤空的孔洞，以減少鋼材用量。

鋼梁上的托板與彎橋外側橋面的底部相互接觸，但互不相連。可在托板上部再設置一定厚度的橡膠片，橡膠片的頂面與橋面的底部直接接觸。此處的“互不相連”是指無固結或鉸接連接，兩者僅相互接觸而已，本質(zhì)上是相互分離的，不能傳遞拉力、水平剪力與彎矩，僅能傳遞壓力。故本技術的施工對原橋面無影響，無需對原橋面進行額外特別處理。

應力擴散板壓在承臺上，應力擴散板與承臺的表面固定相連，使所提加固裝置不發(fā)生轉動。圖3和圖4展示了所提鋼結構加固裝置的三維結構示意圖。所述的鋼結構加固裝置，需能承擔所述彎橋橋面向外側傾覆時產(chǎn)生的豎直向下的壓力而不發(fā)生失效。由于鋼材具有較高的強度，故設計完全可以實現(xiàn)所提裝置確保橋梁不發(fā)生傾覆。

圖3 鋼結構加固裝置三維結構圖一

所提裝置具有下列優(yōu)點：由鋼結構制作的加固裝置，加裝在橋墩的外圍，不與橋墩或橋面固定相連，施工過程中無需對橋墩與橋面局部鑿破，故施工對橋墩與橋面無負面影響；整個鋼結構加固裝置的重量基于應力擴散板傳遞給承臺，橋墩不承擔加固裝置的重量，故對橋墩影響非常小；整個裝置結構簡單，加工與組裝施工方便，鋼結構的強度與剛度較大，能承擔較大的傾覆荷載，總體造價低。

圖4 鋼結構加固裝置三維結構圖二

3 抗傾覆效果分析

現(xiàn)針對某一獨柱墩橋梁進行分析，探討所提加固裝置的抗傾覆效果，鋼結構加固裝置包裹在橋墩的外表面，鋼梁與托板與橋面底部直接接觸，鋼結構加固裝置的懸臂長9.50m，有限元建模如圖5、圖6、圖7所示。計算得到了有無加固裝置情況下的橋梁特性，如下表所示。表中參數(shù)是指橋面施加彎矩1E5kN·m/m后的計算取值。

由上表數(shù)據(jù)可知，獨柱墩橋梁加裝所提加固裝置后，橋面橫向傾斜減少-71.62%，橋面最大拉應力減少-52.78%，說明橋梁底部的加固裝置分擔了較大的豎向荷載，大大提高了橋梁的抗傾覆能力。當然，所提裝置的抗傾覆效果，后續(xù)還需進一步結合模型試驗進行深入研究。

加固裝置的效果分析

圖5 有限元建模方位圖1

圖6 有限元建模方位圖2

圖7 隱藏橋面的建模圖

4 結語

提出了一種獨柱墩彎橋的鋼結構加固裝置，包括鋼筒、鋼梁與托板；鋼筒包裹在橋墩外圍，鋼筒底部焊接有應力擴散板，應力擴散板壓在承臺上；鋼筒上部一側焊接有鋼梁，鋼筒與鋼梁下部之間焊接有三角架；鋼梁端部上表面焊接有托板，鋼梁與托板下部之間焊接有加筋肋；鋼梁上的托板與橋面一側的底部接觸。所提加固裝置加裝在橋墩的外圍，橋墩不承擔加固裝置的重量，施工對橋墩與橋面無影響，整個裝置結構簡單，加工與組裝施工方便，鋼結構的強度與剛度較大，能承擔較大的傾覆荷載，總體造價低。