獨柱墩橋梁抗傾覆加固改造技術

陳 勇，楊培偉

(1.中鐵大橋局武漢橋梁特種技術有限公司,湖北 武漢 430074；2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，湖北 武漢 430034；3.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引言

隨著服役年限的不斷增長、車流量的增加以及越來越多的超載車輛出現，獨柱墩橋梁運營質量不斷降低，橋梁的抗傾覆性能不斷惡化，為消除橋梁運營安全隱患，提高獨柱墩橋梁抗傾覆性能，保障人民群眾生命財產安全，同時應對部分車輛嚴重超載等極端情況，亟需對獨柱墩橋梁運營現狀進行摸排，對抗傾覆性能不滿足現行規范[1]的橋梁進行加固改造。

本文依托獨柱墩橋梁傾覆事故案例和獨柱墩橋梁加固改造項目實例，從獨柱墩橋梁傾覆問題的特點及原因分析，橋梁抗傾覆性能驗算評估方法及橋梁傾覆機理，獨柱墩橋梁加固改造技術解決方案以及獨柱墩橋梁運維要點等幾個方面進行全面梳理和研究，旨在為獨柱墩橋梁的安全運營提供比較全面的技術指導。

1 獨柱墩橋梁現狀

1.1 獨柱墩橋梁特點

獨柱墩橋梁具有結構輕巧、線形流暢、占地量小、通透度大、施工方便等優點，在受到地形、地物限制城區，獨柱墩橋梁成為優選橋型。這類橋梁的上部結構多采用連續箱梁，與簡支梁相比，其整體性能好、行車舒適度高、跨越能力強，在立交橋、高架橋的分離式匝道或上下引橋的設計中占有重要地位。據相關調查統計，獨柱墩橋梁普遍具有如下技術參數特征： ①橋面寬度8～11m； ②橋跨數98%以上在5跨以內； ③總聯長約97%在200m以內； ④約90%平曲線半徑≥90m。

根據上部結構材料類型，獨柱墩橋梁分為鋼箱梁獨柱墩橋梁、鋼-混凝土組合箱梁獨柱墩橋梁和混凝土箱梁獨柱墩橋梁，其中以混凝土現澆箱梁為主，其梁端多采用雙支座支撐，中跨分為墩梁固結、雙支座和單支座支撐方式，如圖1所示。

圖1 獨柱墩橋梁墩梁連接方式

通常城區范圍內的獨柱墩橋梁因受橋墩頂面的空間限制，支座橫向間距較小，且橋面寬度不大，無明顯的車道劃分，車輛偏載情況較為普遍，因偏載引起支座反力變化較大，獨柱墩橋梁抗傾覆能力薄弱的現象愈發凸顯。獨柱墩橋梁在使用過程中出現傾覆時，事先并無明顯征兆，屬于瞬態破壞形式，一旦發生將會危及民眾生命安全、造成巨大的經濟財產損失、產生極其惡劣的社會影響。

1.2 典型傾覆案例及原因分析

1)案例1 某立交橋上部結構為鋼筋混凝土連續梁，跨徑布置為(17+22+22+17)m+30m，下部結構為獨柱墩單支座形式。事故發生時橋面3輛單車約140t的車輛偏載通行，整體傾覆，倒塌后橋梁結構整體性基本完好(見圖2a)。

2)案例2 某跨線橋上部結構為簡支鋼箱梁、下部結構為小間距雙支座花瓶墩，事故發生時3輛單車約100t的車輛偏載通行，主梁繞中心軸一側支座傾覆，傾覆后鋼主梁、混凝土橋墩無結構性損害(見圖2b)。

圖2 獨柱墩橋梁傾覆案例分析

從以上案例看出，發生上部結構整體傾覆的橋梁具有以下共同特征[2]： ①上部結構為整體箱梁、下部結構為獨柱墩； ②過渡墩和橋臺位置為雙支座，中跨橋墩采用單支座，其中簡支梁橋端部雙支座間距較小； ③超過設計荷載的車輛集中偏載通行(見圖2c)；④事故發生前無明顯預兆、猝然發生，事后結構整體性基本完好。

1.3 獨柱墩橋梁傾覆機理分析

在偏心荷載作用下，單向受壓支座依次脫離受壓狀態，箱梁支撐體系不再提供有效約束，箱梁扭轉變形趨于發散至橫向失穩垮塌[3]，支座、下部結構連帶損壞(局部)。根據獨柱墩橋梁傾覆案例的分析以及相關研究，其傾覆過程可表達為幾個典型過程，如圖3所示。

圖3 獨柱墩橋梁傾覆過程

2 獨柱墩橋梁抗傾覆驗算評估

獨柱墩橋梁上部結構在傾覆的過程中存在2個明確特征狀態[4]： ①特征狀態1 箱梁的單向受壓支座開始脫離受壓； ②特征狀態2 箱梁的抗扭支承全部失效[5]。

將這兩個特征狀態作為抗傾覆驗算工況： ①達到特征狀態1 在作用基本組合下，箱梁橋的單向受壓支座處于受壓脫空狀態； ②達到特征狀態2 箱梁的抗扭支承全部失效時，箱梁處于受力平衡或扭轉變形失效的極限狀態。箱梁橋同一橋墩的一對雙支座構成一個抗扭支承，起到對扭矩和扭轉變形的雙重約束；當雙支座中一個支座豎向力變為0而失效后，另一個有效支座僅起到對扭矩的約束，失去對扭轉變形的約束，如圖4所示。

注：有效支座；●失效支座圖4 獨柱墩橋梁達到特征狀態2的過程

對箱梁的抗扭支承全部失效狀態，采用“穩定作用效應≥穩定性系數×失穩作用效應”的表達式。箱梁橋處于特征狀態2時，各橋墩都存在1個有效支座，穩定效應和失穩效應按照失效支座對有效支座的力矩計算，如圖5所示。

注：有效支座；●失效支座圖5 獨柱墩橋梁特征狀態2時的有效支座示意

2.1 驗算評估方法

根據JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》第4.1.8條，持久狀況下，梁橋不應發生結構體系改變，并應同時滿足下列規定。

1)在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態。

2)按作用標準值進行組合時，整體式截面簡支梁和連續梁的作用效應應符合下式要求：

穩定效應：∑Sbk,i=∑RGkili

失穩效應：∑Ssk,i=∑RQkili

式中：kqf為 抗傾覆穩定性系數，取2.5，綜合考慮該簡化方法的偏差系數和實際車輛密集排布情況下汽車荷載的放大系數后確定；li為第i個橋墩處失效支座與有效支座的支座中心間距；RGki為在永久作用下，第i個橋墩處失效支座的支反力，按全部支座有效的支承體系計算確定，按標準值組合取值；RQki為在可變作用下，第i個橋墩處失效支座的支反力，按全部支座有效的支承體系計算確定，按標準值組合取值，汽車荷載效應(考慮沖擊)按各失效支座對應的最不利布置形式取值。

2.2 某獨柱墩橋梁抗傾覆驗算分析

1)驗算過程

以某互通匝道橋的獨柱墩橋梁第1聯為例進行抗傾覆驗算，本聯橋梁為(23.761+3×20)m，采用預應力混凝土現澆連續箱梁。0，4號過渡墩采用雙柱墩，1～3號墩采用獨柱墩。箱梁為單箱雙室截面，頂板寬度為10.5m，底板寬度6.0m，懸臂2.0m，斜腹板，梁高1.5m。標準橫斷面如圖6所示。

圖6 匝道橋標準橫斷面

按照JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》要求，對上部結構抗傾覆進行驗算。橋涵設計荷載按汽車荷載公路-Ⅰ級考慮，在恒荷載和二期荷載以及汽車荷載沖擊系數μ2=0.45條件下進行驗算。按單車道偏載和雙車道偏載工況[6-7]分別進行驗算，偏載布置如圖7所示。

圖7 獨柱墩橋偏載布置

2)驗算結論

汽車單、雙車道偏載，抗傾覆驗算如表1，2所示。可見失效效應發生于特征狀態2，其抗傾覆穩定系數kqf單車道偏載時為1.86，1.85；雙車道偏載時為1.78，1.77，均小于2.5，因此均不滿足要求。

表1 單車道偏載驗算結果

表2 雙車道偏載驗算結果

3 獨柱墩抗傾覆技術解決方案

3.1 獨柱墩加固改造方案

影響獨柱墩橋梁抗傾覆性能的主要因素為支座橫向間距[8]、抗扭跨徑、平曲線半徑、邊中跨比。針對既有運營獨柱墩橋梁抗傾覆性能驗算不滿足要求，提出以下加固改造方案。

3.1.1中墩改為墩梁固結

將跨中單支座橋墩改造為墩梁固結(見圖8)，上部結構的靜力平衡問題轉變為截面的強度問題。

圖8 墩梁固結示意

但因原來由支座適應的結構體系變形改為橋墩協調變形，將增加墩梁固結區域構件的應力水平，因此該方案僅適用于高墩且溫度效應和收縮徐變效應不顯著的情況。

3.1.2增設墩柱

在獨柱墩既有承臺(或將原有承臺擴大，或增加樁基)兩側增設墩柱，由單柱式改為多柱式，并設置橫向連接系與既有獨柱墩連接(見圖9)。

圖9 獨柱墩增設墩柱抗傾覆

3.1.3加大截面法

將獨柱墩通過植筋立模澆筑混凝土，加大并改變橋墩截面形式，一般做法是將獨柱墩變成板式墩(見圖10)或花瓶墩，在原支座兩側增加2個支座。

圖10 獨柱墩變板式墩

3.1.4增設蓋梁法

在橋墩墩頂增加蓋梁，保留原支座，橫橋向再增加2個支座，為減小增加構件自重對原橋恒荷載的影響，蓋梁一般采用鋼結構形式(見圖11)。主要改造措施是在橋墩頂部通過牛腿方式安裝鋼抱箍，采用螺栓將其箍緊，鉆孔安裝錨栓，注入粘鋼膠粘鋼處理。待鋼蓋梁施工完成后，安裝新增支座并與箱梁密貼。

圖11 鋼蓋梁

3.1.5增設抗傾覆裝置

在獨柱墩與箱梁之間通過設置剛性或者柔性抗拉拔裝置，如對拉鋼筋、耳釘、拉桿、拉板塊等(見圖12)，限制支座脫空進而發生橋梁傾覆事故，一般適用于雙支座獨柱墩。

圖12 抗傾覆裝置

3.1.6鋼箱梁增加配重法

獨柱墩鋼箱梁自重輕，抗傾覆性能差，一般在墩頂附近和曲線半徑較小的曲線內側箱室內灌注混凝土作配重，達到提高橋梁抗傾覆性能要求。

3.2 抗傾覆支撐點傳力功能實現

作為抗傾覆支撐，是在不改變原橋傳力方式條件下作為預防性作用的支撐。獨柱墩一般為連續梁的中墩，所以抗傾覆的支撐不能限制橋梁梁體的橫縱向位移活動，也不能改變橋梁正常運營條件下原支座的受力狀況。

增加的支座需滿足： ①雙向活動功能； ②支座要與梁底始終保持密貼以防止橋梁正常運營下梁底與支座頻繁動態接觸，并且不能受力(相對原支座而言)。具體措施如下。

1)采用四氟板橡膠支座 為雙向活動支座，滿足雙向活動需要。通過二次灌漿的方法實現支座與梁體密貼，具體做法是在增設的墩柱澆筑至頂部約50cm時，先采用千斤頂將支座預頂使之與梁底密貼后進行固定鎖死，再進行支座底部二次灌漿。

2)采用可調高支座 用可調高支座安裝到位后向支座內腔壓入合成材料實現一定(遠小于原支座力)的預頂力，確保支座與梁底始終密貼，支座結構如圖13所示。

圖13 可調高支座

4 獨柱墩橋梁運維合理化建議

1)針對抗傾覆系數不能滿足規范要求的獨柱墩橋梁，實施加固改造前建議采取布置限重標志方式對可能通行的重載車輛進行控制，同時安裝視頻監控設備予以全面監控。

2)加強擬加固改造橋梁的日常檢查頻率，并針對有傾覆趨勢的特征表現，如橋梁端部伸縮縫出現錯臺、護欄發生高度方向錯位、梁體端部在車輛經過時發出異響、支座脫空等進行詳細觀察和記錄。

3)為長期有效掌控獨柱墩橋梁的工作狀態，建議針對典型橋梁建立智能化監測系統[9]，實時獲取其表征抗傾覆性能的特征數據。

5 結語

通過對獨柱墩橋梁傾覆問題的特點及原因進行分析，基于橋梁抗傾覆性能驗算評估方法及橋梁傾覆機理，提出多種滿足一定條件下的獨柱墩抗傾覆加固改造的技術解決方案，并就獨柱墩橋梁運營維護管理提出合理化建議，對獨柱墩橋梁的安全運營提供了技術支持。