獨柱墩橋梁病害成因及橋梁設計相關問題研究

賈舒陽

（內蒙古高等級公路建設開發有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010000）

1 引言

獨柱墩橋梁因可以有效節省橋下通行空間、能夠減少對司機視線的遮擋，且外形簡潔美觀，被廣泛運用在跨線橋和匝道橋中[1，2]，但其安全狀況不容小覷。

近年來，獨柱墩橋梁安全事故時有發生，從2007年至今，全國各地至少發生了6起類似的獨柱墩橋梁側翻事故。2012年8月，哈爾濱陽明灘大橋橋梁因3輛超載車集中靠右行駛導致橋梁傾覆，造成3死5傷。2015年6月，粵贛高速匝道橋因4輛貨車超載行駛造成橋梁傾覆垮塌，導致1死4傷。2020年10月10號傍晚，江蘇無錫312 國道高架橋發生側翻事故，造成3 人死亡2 人受傷。獨柱墩橋梁的安全問題在業界得到廣泛重視[3-5]。

2020 年，交通運輸部開展獨柱墩橋梁運行安全提升專項行動，也將獨柱墩橋梁安全問題推上新的高度。文章結合獨柱墩橋梁排查過程中的所見所想，從病害表征出發，探究可能導致病害的原因，進而對獨柱墩橋梁設計及分析提出改進建議，對其他混凝土梁式橋的設計有參考意義。

2 獨柱墩設計及計算分析現狀[6]

從國內四家公路行業甲級設計院對獨柱墩橋梁的復核驗算報告看，目前國內橋梁設計界對獨柱墩橋梁的驗算主要方式及問題如下：

②驗算分析時未考慮已運營獨柱墩橋梁現有病害情況，無法準確模擬橋梁實際受力狀態。

③建模時未建立固結墩模型，僅以固定約束代替，未考慮固結墩剛度對墩梁內力分布的影響。

圖1 某有固結墩的獨柱墩橋梁計算分析模型（未建立固結墩單元）

④梁單元模型無法較為精準地分析梁體扭轉問題，在設計過程中往往忽略梁體扭轉問題的分析驗算。

⑤在設計過程中，部分橋梁僅配置單側防撞墻，防撞墻自重較大，對梁體穩定性不利。

⑥部分獨柱墩橋梁在設計過程中考慮到傾覆問題，進行了防傾覆構造設計，但對運營中獨柱墩橋梁進行驗算時，通常不考慮防傾覆構造對橋梁抗傾覆的貢獻，僅以無防傾覆構造模式進行驗算，驗算結果失真。

⑦構造設計相對缺失，對橋梁構造設計尤其是獨柱墩橋梁的構造設計不夠細致，橋梁結構出現局部應力集中導致病害。

⑧獨柱墩驗算基于抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值大于一定限值來控制，對反力的驗算僅關注是否出現支座負反力。而對于結構本身會不會出現破壞、支座產生負反力后關聯的病害如何發展并無明確分析。

維修方式是對汽車機件維修內容及其時機的控制形式，其中又以定時維修及視情維修最為多見。定時維修是按規定的時間不查看技術狀況而進行拆卸的工作方式。“規定的時間”可以是規定的間隔期、累計工作時間、日歷時間、里程和次數等。定時方式以時間為標準，維修時機的掌握比較明確，便于安排生產，但針對性差、維修工作量大、經濟性差。 視情維修是基于這樣一種事實進行的，大量的故障不是瞬時發生的，故障從出現至發生，總有一段時間出現異常現象并有征兆可尋。因此，如果采用性能監控或無損檢測等技術就可以找到跟蹤故障跡象的辦法，然后采取措施預防或避免發生故障，所以這種維修方式也被稱為預知維修或預兆維修方式。

3 獨柱墩橋梁病害調查實例及病害成因分析[7][8]

案例一：某互通匝道橋屬獨柱墩曲線橋梁，上部結構為現澆預應力混凝土連續梁，孔跨布置為22.611+2×25+20（m），下部結構為重力式橋臺、連續三根獨柱墩，基礎類型為擴大基礎。經驗算，該橋最小抗傾覆系數2.14，不滿足現行規范標準。

圖2 箱梁橫斷面圖（cm）

現場調查發現，該橋雖然抗傾覆穩定系數不滿足規范要求，但該橋加大了端橫梁尺寸，增大了支座間距，同時在橋臺臺帽上增設了寬80cm、高100cm 的擋塊，為防止獨柱墩墩頂因局部承壓過大開裂增設了鋼套筒。該橋端橫梁存在斜向裂縫。該橋總體技術狀況良好，未見支座偏壓、梁體滑移、扭轉病害等傾覆傾向性病害。

對比現場調查情況與驗算報告發現：設計單位在對該橋進行抗傾覆驗算的計算分析過程中，并未考慮擋塊對橋梁抗傾覆的貢獻。而該橋端橫梁出現的斜向裂縫，是由于端橫梁剪力筋設計不合理造成，可能由于抗剪計算分析有誤導致。

與該橋設計基本一致的另外三座橋梁，抗剪傾覆系數亦不滿足現行規范要求，但未見支座偏壓、梁體滑移、扭轉病害等傾覆傾向性病害。

案例二：某互通匝道橋屬獨柱墩曲線橋梁，上部結構為現澆預應力混凝土連續梁，孔跨布置為4×25（m），下部結構為重力式橋臺、僅設置一根獨柱墩（獨柱墩與梁體間設置固定支座）、其余橋墩均為雙柱式橋墩。經驗算，該橋抗傾覆系數8.2，遠高于現行規范標準。

現場調查發現，該橋支座橫向限位裝置損壞，梁體橫向滑移6cm，橋墩蓋梁擋塊擠壓開裂，獨柱墩橫向傾斜5cm。該橋在出現上述病害的兩個月內交通量較往常增大了2倍以上，行駛車輛多以49t貨車為主，橋上兩車道長時間布滿超速行駛的貨車。

該橋雖抗傾覆驗算系數滿足規范要求，但表現出明顯的傾覆傾向性病害，存在傾覆趨勢。而該病害形成原因與短期汽車荷載激增、車輛在曲線段行走時橫向離心力較大有明顯相關性。因梁體橫向滑移，獨柱墩與梁體設置了固定支座，導致獨柱墩被梁體拉歪。

4 獨柱墩橋梁設計及加固設計建議[9,10]

從上述兩個案例可以看出：獨柱墩橋梁破壞模態不只是傾覆一種；獨柱墩橋梁的抗傾覆性能也不是一個固定不變的狀態，它與橋梁本身的設計抗傾覆系數、抗傾覆構造設計是否健全、橋梁是否存在橫向滑移及其他進程性病害有關。按照理想狀態計算，抗傾覆性能滿足要求的橋梁在出現病害或運營狀態發生改變的情況下亦存在傾覆的可能性；抗傾覆系數不滿足要求的橋梁，在做好相關構造設計的前提下也可能永遠不會發生傾覆事件。

結合上述分析，對獨柱墩曲線橋梁設計、抗傾覆驗算及加固設計提出如下建議：

①驗算建模應考慮固結墩的梁體內力分布的影響，對于設定了固定支座、固結墩的獨柱墩橋梁，應在建模時建立橋墩模型，綜合分析墩梁共同受力狀態下的內力分布問題。

②對于驗算中出現支座負反力的橋梁，考慮到多數支座僅受壓并不受拉，應將出現負反力的支座約束釋放，重新進行橋梁結構受力分析及驗算。

③曲線橋梁受力較為復雜，除常見的彎剪受力外，受扭是曲線梁必須關注的問題，在本次調查中有部分曲線梁橋梁體通體出現底板、腹板、頂板斜裂縫，該裂縫與梁體抗扭承載力不足有關，而常規的梁單元模型無法準確模擬分析橋梁彎剪扭受力狀態，應建立實體模型進行分析，抗傾覆驗算荷載不應以設計荷載為準而應以實際調查的代表性荷載為準。對投入運營的橋梁，還應考慮已有橋梁病害對橋梁抗傾覆性能的影響。

④部分橋梁的病害與傾覆問題無關，表現出結構配筋不足、尤其是構造設計考慮不全面的問題，如局部承壓配筋不足、截面突變位置未設置承托過渡、抗剪配筋不足等問題，這就要求設計師在設計過程中，不僅要關注結構總體承載力設計驗算問題，更加要關注構造設計，從歷年橋梁病害情況來看，構造設計不足導致橋梁病害的問題遠比結構設計承載力不足的問題更突出。

⑤抗傾覆穩定系數與橋梁穩定性問題并無明顯關聯性，在養護過程中要重點關注橋上荷載變化情況、擋塊擠壓破壞問題、梁體橫向滑移問題等。這些都是橋梁存在傾覆可能性的表征。此外，對于非獨柱墩橋梁，亦存在傾覆問題，橋梁是否會傾覆不應以是否為獨柱墩為評判依據。

⑥獨柱墩橋梁設計，盡可能不要將固定支座設置在獨柱墩上，要考慮高大擋塊等抗傾覆構造設計。

⑦對于墩梁固結的獨柱墩要進行詳細的承載力計算分析，做好獨柱墩的配筋設計，做好抗扭設計，根據墩梁固結處彎拉組合受力模式計算分析固結墩在梁體內的錨固鋼筋的抗拔性能是否滿足要求。同時墩梁固結處應考慮局部應力激增導致的橋墩彎剪破壞問題，必要時增設套筒、局部增大截面等構造設計。

⑧并非所有的抗傾覆穩定性不滿足要求的獨柱墩橋梁均需增設蓋梁或支墩，應結合調查情況，給與增設抗傾覆構造（如擋塊等）、曲線外側增設支撐構造、控制橋上車流量或車輛行駛軌跡等處置方式。對于必須增設蓋梁或支墩的橋梁，建議不改變橋梁原約束體系，梁底增設支座的方式會引起梁體內力重分布，可能造成梁體其他病害，建議將蓋梁擋塊做大做強、支墩加高，使得擋塊或支墩扶在梁體翼緣下方，對梁體翼緣做局部補強處理，在梁體出現傾覆傾向時對梁體扭轉起到控制作用即可。曲線梁橋的傾覆通常見于向曲線外側傾覆，故為了控制該傾覆傾向，可在梁體曲線內側適當增加配重，如曲線外側設置鋼護欄、內側設置混凝土護欄等。

⑨對于連續設置獨柱墩的橋梁，可以考慮將獨柱墩偏心設計，即將獨柱墩偏離梁體中心線布置，或偏向于曲線外側，或沿梁體中心線呈梅花形錯落布置。

5 結語

綜上所述，獨柱墩橋梁的抗傾覆研究也為其他橋梁的設計及病害分析提供了參考，對于存在傾覆性問題、橋梁弱墩的框架體系橋梁等的養護加固也具有參考意義。