獨柱墩連續箱梁橋抗傾覆驗算及加固設計

魏吉明

（青海省育才公路勘察設計有限公司，青海 西寧 810003）

0 引言

隨著城市化進程的不斷發展，高架與立交成為我國基礎建設的重要組成部分，并起著疏導車流、緩解交通的作用，能夠有效提升運輸效率。實踐表明，獨柱墩橋梁兼具外觀優美、形式簡單、資源占用少等優點，在實際工程中具有廣闊的應用范圍[1]。

一般而言，獨柱墩橋梁會在橋臺及過渡區域采用雙支座的設計，而對跨中位置則采用單支承設計。因此，偏心或超載等的作用下，單支承的獨柱墩橋梁很容易出現支反力分布不均的問題，嚴重的還會導致支座脫空。當支座出現脫空現象時，原有的支承體系會隨之發生改變，并受到偏心荷載的長期作用而不斷劣化，促進脫空程度的持續增大，失去原有平衡[2]。近些年，我國獨柱墩橋梁安全事故不斷增多，其中橫向傾覆問題越來越突出，威脅著社會安全。

以某橋梁工程為例展開分析，該項目采用3×25m的連續箱梁橋設計，在運營期間有四輛超載大貨車同時違規停靠，導致橋梁受到過大的偏心荷載作用發生傾覆事故。針對這一事故展開了調研與分析，研討了橋梁的抗傾覆能力。

1 抗傾覆穩定性驗算

通過對傾覆失穩事故處理經驗進行分析，總結出其普遍存在的影響因素為：多輛超載汽車同時在橋梁上行駛；橋梁上部結構采用整體式的連續箱梁設計；橋梁下部結構涉及獨柱墩的設計，且其中多數柱墩僅采用單支承；雖然采用了多支承設計，但支承間距控制得較小；我國現行規范對于極端作用下的結構穩定性缺乏詳細的條文規定。為了盡可能避免這一類問題的發生，需要加強對獨柱墩橋梁的抗傾覆穩定性驗算，并以此為基礎進行相應的加固處理[3]。

由于導致獨柱墩橋梁傾覆失穩的主要作用類型為罕見的極端荷載，采用常用的極限狀態分析法進行驗算難以達到預期要求，所以在完善驗算方案時應當以工程實踐為基礎，將其與規范標準進行比對，最后發現汽車荷載的分項系數取為3.4 比較合理。此外，針對單支承條件下連續箱梁發生扭轉的作用機理展開進一步研究，完善了上部結構為整體式連續式箱梁、下部結構為獨柱墩的橋梁抗傾覆穩定性評價方法。

對于外界作用的基本組合，支座不發生脫空現象；在汽車荷載的分項系數取為3.4 時，支座也不宜發生脫空現象。這一驗算的主要目的在于：對中間橋墩為單支承設計的連續箱梁橋，在外界偏心作用下，主梁的扭轉效應也隨之提升，導致支座邊緣會出現脫空，使得橋梁結構整體的受力體系發生變化。此時，若外部作用持續增加，則結構將逐步轉變為機構，失去原有的靜止平衡狀態，向著運動狀態持續發展，進而導致傾覆事故發生。為了確保原有結構受力體系不發生變化，避免橋梁向著失穩的方向發展，就需要控制支座不產生脫空現象。而當汽車荷載的分項系數取為3.4 時，支座也不宜發生脫空，但由于這一要求比較嚴格，因此不作為硬性標準進行驗算。

對于外界作用的基本組合以及汽車荷載的分項系數取為3.4 時，箱梁扭轉角均不大于0.02rad。這個驗算要求主要是由于當中間獨柱墩采用單支承設計時，在外界偏心作用下，傾覆破壞的形態大致表現為幾何、材料以及接觸非線性特征，同時中間與兩側的橋墩內會產生方向相反的水平力，其計算過程比較復雜。為了降低驗算工作量，在外界作用的基本組合以及汽車荷載的分項系數取為3.4 時，限制箱梁扭轉角在0.02rad 以內。這一驗算標準也能夠確保支座處于正常工作的范圍內。

對于僅采用單向受壓支座支承設計的橋梁而言，可按照下式（1）進行驗算：

式（1）中：kqf為橫向抗傾覆安全系數，式（1）中取為5；Sbk,i及Ssk,i分別為使上部結構保持、失去穩定時的作用效應標準組合設計值。

這一驗算的提出主要是：在計算假定下，上、下結構各自的剛度均被簡化為了無窮大，因此在偏心作用下上部結構主要表現為繞外側支承的剛體轉動。由此所導致的破壞為突發的脆性破壞，在破壞前不會出現明顯的變形，所以在驗算時需要考慮較高的安全裕度，在本驗算中將安全系數選為1.5。同時，考慮到汽車荷載的分項系數取為3.4，因此橫向抗傾覆安全系數kqf最終取為5。不同于第二項驗算內容，這一驗算主要以出現轉動后難以停止的結構為對象，而第二項驗算內容則主要考慮支承體系的變化，在變化后結構往往能夠達到新的平衡。

2 獨柱墩連續箱梁橋的加固設計

若上述驗算不符合要求，還應對橋梁結構進行加固，根據工程實際情況選用相應的技術手段，保障加固作業具有足夠的可靠性，并將施工難度控制在可接受的范圍內[4]。目前常用加固措施可歸為以下四類：

2.1 增設抗扭拉桿裝置

在主梁與橋墩或橋臺的連接處附加抗扭拉桿裝置，使得主梁的扭轉受到約束，盡可能避免支座脫空導致的扭轉位移持續發展，進而降低傾覆失穩的風險，其構造如圖1所示。

優點：增設的扭拉桿裝置能夠在不改變原有結構受力體系的基礎上發揮作用；裝置施工簡單、便捷，且工作量比較小；施工對于橋梁正常的交通運輸不產生影響。

缺點：裝置設置后需要借助后錨固的方式進行連接，這也將導致其強度受限，只能被用于支座脫空負反力比較小的工程中；對于無蓋梁的橋墩，一般還需要增設蓋梁。

2.2 增設支座、蓋梁

對原設計中采用單支承的橋梁增設蓋梁、支座，使其轉變為多支承橋墩，進而起到優化支承體系的作用，改善主梁的抗扭轉能力，降低橫向傾覆發生的風險，其構造圖如圖2所示。

優點：通過增設蓋梁的方法將橋墩從單支承改為多支承，能夠顯著增強主梁抗扭轉的能力；施工規模較小，能夠根據項目實際情況靈活調整，降低對原有結構的擾動；可對多個中間橋墩同時處理。

缺點：加固后橋墩所受橫向力較原結構更大，需要驗算判斷結構穩定性；加固效果受到結構剛度等的限制比較大；對于橋下凈空有要求，施工前需要反復核驗施工條件；施工涉及扎筋、澆筑等工序，比較復雜。

2.3 改造橋墩結構

受到增設支座、蓋梁加固的局限性影響，可對橋墩結構進行改造，使其橫向支承由原有的單支承變為多支承，以此達到改進約束條件的效果。在施工時，可以根據項目實際條件適當加大橋墩尺寸，也可增加橋墩墩柱數量。

優點：能夠顯著改善主梁抗扭轉的能力，防止橫向傾覆的發生，且一般僅對中間一個橋墩處理，即可滿足要求；加固處理后結構的安全性具有可靠保障。

缺點：需要從橋墩整體出發進行加固，工作量與施工難度比較高；加固后需要對橫隔梁進行驗算，以防其發生失穩；加固可能導致橋下凈空減小，需要實地調研分析；一般需要新增樁基，因此對施工條件要求比較高；施工過程可能對結構產生影響，導致原有結構力學性能下降。

2.4 增加支座間距

邊側位置的橋墩一般采用雙支承設計，若雙支承間距控制在較小的水平，則其對主梁的約束作用往往比較有限，甚至可能導致支座受拉。所以，可以適當增大支座間的距離，改善結構抗扭轉的能力。

優點：該加固方法對寬幅箱梁橋有著顯著的效果；加固作業較簡單，能夠節省資源。

缺點：主梁的端橫一般需做接長處理，受到預應力筋施工的限制，植筋作業難度較為突出，這也導致加固效果缺乏保障；在增設支承點后需要對結構進行驗算，如有必要還應進行二次加固；加固后需對橫梁進行驗算。

2.5 特殊處理方案

除了上述四類常見加固方法外，在具體工程中技術人員還可根據實際情況靈活選用特殊處理方法。例如：對于左、右兩幅均采用獨柱墩連續箱梁設計的橋梁，若其上部結構跨徑與梁長一致，可以考慮在兩幅橫梁之間加設連系梁，以此形成整體受力結構，降低橫向傾覆的風險。

但值得注意的是，在增設連系梁后需要對梁進行驗算，對于較為復雜的結構可借助有限元軟件輔助分析。連系梁的設計與施工一般難度較大，在澆筑混凝土時需要做好臨時支撐，避免由于結構變形帶來的混凝土質量不可控問題。

3 抗傾覆加固設計的要點

在正式開始加固設計之前，首先需要對橋梁的原設計方案、竣備資料、檢測數據等有全面的認識，來評價橋梁的狀態。此外，還需對工程進行實地勘測，明確橋梁凈高等基本數據，以此判斷加固處理的技術條件，初步篩除可行性較低的方案。隨后，即可對各方案進行有限元分析，驗算其力學性能。另外，施工段劃分、預應力效應對于支座反力的分布往往起著決定性作用，因此需要重點考慮。對于具體的加固項目，往往可以提出多種備選方案，在比選不同方案時應當按照以下原則進行評價。

適用性：加固方案的確定應當考慮到建設環境與施工條件的限制，將施工的可行性控制在可接受的范圍內，并盡可能減少對正常交通的影響。一般而言，上述四種主要加固方案的開展難度從大到小依次為：方案三、方案二、方案四、方案一。同時，需要對不同方案各自的適用范圍形成較為清晰的認識，比如：方案一主要用于拉桿力不大于50t 的工程；方案二需要墩柱的壓彎能力符合基本要求；方案三的適用面雖然比較廣，但對于處于河道中的橋墩往往難以應用；方案四的加固效果比較有限，僅適用于傾覆風險較低的工程。

經濟性：研究表明，上述四種主要加固方案的成本由高到低依次為：方案三、方案二、方案四、方案一，在具體工程中可通過組合使用多種方法達到優化經濟效益的效果。

可靠性：加固施工的工藝及材料選擇對于加固作業的最終效果有著顯著影響。方案一對于施工技術的要求更高，因此其加固效果往往難以得到有效保障。此外，不同方案之間的加固潛力也存在一定差異，其中方案三的承載能力潛力最大，其對主梁抗扭轉能力的改善效果也最為突出。

景觀性：對景觀性有較高要求的路段，還應將景觀指標納入方案比選所考慮的因素內，比如：在對墩柱進行加強時，一般采用整體板式構造。

在借助新增蓋梁對原結構進行加固時，應當考慮到新老混凝土交界面的收縮作用，因此可使用補償收縮混凝土開展施工，同時也可附加纖維網來防止開裂。對于新增橫橋向支座的加固方案，在安裝時可不開展主梁頂升，而僅將梁底與支座相接觸并頂緊，以此來減小新增支座對原有主梁受力的干擾。在這樣的施工方案下，新增支座就只會承擔偏心荷載作用產生的內力，因此可以降低支座對原有結構受力體系的改變。值得注意的是，在養護時若需要更換支座，那么應當合理設計工序搭接，保證各支座保持原有的力學狀態；若需在原有樁基附近增設樁基，那么就要對地質條件進行全面勘測，降低施工過程對原有結構的影響，且樁基成孔一般可采取回旋鉆的方式。

4 結語

獨柱墩連續箱梁橋傾覆已經成為我國基礎工程建設面臨的重要問題，本文基于實際工程分析了傾覆失穩發生的機理，并提出了簡便實用的傾覆驗算方法。在選擇加固方案時也需要技術人員結合實際條件，綜合考量適用、經濟、可靠等原則，比選最佳方案。