基于拉壓桿的獨柱墩抗傾覆加固結構及設計方法研究

周健民，吳文明，王辰杰

(1.唐山高速公路集團有限公司，河北 唐山 063099；2.北京公科固橋技術有限公司，北京 100088)

0 引言

中小跨徑獨柱墩曲線橋既能使橋型布置很好地適應環境要求，也能改善橋梁外觀，減少土地占用，以及節約材料[1]，此外，其獨柱布置形式也比常規的雙柱墩橋梁較多地減少對周圍環境的破壞。因此，獨柱墩橋梁廣泛應用于高速公路匝道橋、城市高架橋及城市立交橋中[2-4]。但在車輛偏載作用下，獨柱墩橋梁聯端支座容易出現脫空的現象，致使主梁支承體系發生改變，而其特殊的結構體系對橋梁結構的抗傾覆穩定性明顯不利。近年來，國內相繼發生的獨柱墩梁橋整體傾覆事故造成了嚴重人員傷亡和經濟損失，引起社會的廣泛關注[5-7]。雖然2012年之后我國新建橋梁中，基本采用雙柱墩或三柱墩的結構形式代替此類型橋梁，但是仍然存在為數眾多的在役獨柱墩梁橋[8-10]，所以必須對采取有效的加固措施，以提高既有獨柱墩橋梁結構的抗傾覆穩定性。目前對于獨柱墩橋梁抗傾覆加固措施主要有3類：第1類增設蓋梁，將單支座改為雙支座[11-12]；第2類取消支座，將墩梁固結，改變結構支承體系[13-14]；第3類增大雙支座間距，提高雙支座抗扭能力[15-16]。但這些加固措施在構造設計與施工上均存在一定的困難，由于結構構造所限，支座間距增加不明顯，且本質上并未改變橋梁整體傾覆翻轉線，因此加固后的效果不明顯，難以確保橋梁在運營過程中具有足夠的抗傾覆安全儲備。本研究在杠桿原理基礎上，提出了一種基于拉壓桿的獨柱墩抗傾覆加固結構及其設計方法，該加固結構構造簡單、受力明確、加固效果好、設計與施工方便，可為類似橋梁結構加固提供借鑒和參考。

1 傾覆過程及受力機理

獨柱墩橋梁傾覆是由于橋面汽車荷載達到抗傾覆臨界值時，橋梁兩端位于汽車荷載另一側的支座產生負反力，引發支座脫空，導致主梁發生翻轉傾覆[17-18]，見圖1。

圖1 獨柱墩橋梁主梁整體傾覆

獨柱墩橋梁典型的傾覆過程可以表現為：單向受壓支座產生負反力，正常受壓的受力狀態消失，導致支座不再為上部主梁結構提供有效的支承，上部主梁結構扭轉變形達到臨界值、橫向失穩，引發支座及下部橋墩結構損壞[19]，如圖2所示。

圖2 獨柱墩橋梁典型傾覆過程

因此，獨柱墩橋梁傾覆存在2個明確的受力特點：(1)橋梁單向受壓支座脫空，并不再受壓；(2)橋墩上一對雙支座構成的抗扭支承體系，由于其中一個支座的脫空，導致未脫空的支座僅提供扭矩約束，而雙支座提供的扭轉變形約束失效，不再為主梁提供有效的抗扭支承，此時主梁處于受力臨界平衡或者是扭轉變形失效的極限狀態，進而引發了橋梁傾覆破壞。

2 抗傾覆加固力學原理與構造

根據獨柱墩橋梁傾覆過程及受力機理可以知道，獨柱墩橋梁傾覆過程的最主要表現形式是主梁繞荷載作用側最外側支座連線方向轉動，即主梁的剛體轉動。根據杠桿原理，汽車荷載偏載產生的傾覆力矩和主梁自重產生的抗傾覆力矩分別是杠桿的動力和阻力。為避免主梁的橫橋向傾覆，使梁體達到靜止的平衡狀態，抗傾覆力矩應具有足夠的抵抗效應。同理，對于橋梁結構如果將主梁腹板兩側與橋墩通過某種方式連接，當主梁有傾覆的趨勢時，主梁腹板兩側的連接開始發揮作用，產生拉壓桿效應，該拉力和壓力為有傾覆趨勢的主梁提供了一個反向力矩M，以抵抗主梁的傾覆力矩T，這樣就可以提高主梁的抗傾覆能力，如圖3所示。

圖3 獨柱墩橋梁抗傾覆加固力學原理

此類在主梁兩側增設拉壓桿的方式進行抗傾覆加固的結構構造為：在主梁腹板兩側以及相應的墩頂位置埋入鋼板，并在鋼板上焊接耳板固定裝置，然后將主梁及墩頂上的耳板通過鋼拉桿連接，形成主梁兩側的拉壓桿加固結構。當橋面汽車荷載達到抗傾覆臨界值造成主梁有傾覆趨勢時，主梁兩側的鋼拉桿連接即產生拉壓桿效應，以抵抗主梁的傾覆力，如圖4所示。

圖4 拉壓桿抗傾覆加固結構

3 抗傾覆穩定系數計算方法

現行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)[19]第4.1.8條規定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：

(1)

式中，kqf為橫橋向抗傾覆穩定系數，取kqf=2.5；∑Sbk,i為使上部結構穩定的效應設計值；∑Ssk,i為使上部結構穩定的效應設計值。

基于拉壓桿效應的抗傾覆加固結構力學示意如圖5所示，根據力學示意圖，可以得到該加固結構的抗傾覆穩定系數。

圖5 拉壓桿抗傾覆加固結構力學示意圖

加固后上部結構穩定效應(考慮拉桿+壓桿)：

∑Sbk,i=∑RGkili+∑Flilli+∑Frilri，

(2)

式中，Fli為在可變作用下，第i個橋墩拉桿提供的抗傾覆拉力；lli為第i個橋墩拉桿與有效支座的距離；lri為第i個橋墩壓桿與有效支座的距離；加固后傾覆穩定性驗算系數：

(3)

4 工程應用實例

4.1 工程概況

某互通立交橋由1條主線及10條匝道組成，與地面道路形成4層立體交叉，如圖6所示。各匝道橋基本為曲線橋梁，主梁結構形式鋼筋混凝土箱梁或預應力混凝土箱梁，橋墩結構形式為花瓶式獨柱墩，設置小間距雙支座，如圖7所示。

圖6 互通橋梁鳥瞰圖

圖7 橫斷面布置(單位：cm)

由于該橋交通量較大，日常運營中經常發生堵車現象，且橋上行駛的6軸重車或拖掛車等重載大貨車較多。而橋梁橫向兩個支座間距為1.9 m，相對于寬度為9 m的橋梁凈寬來說偏小，這些因素對橋梁結構的橫向穩定性產生不利影響，成為主梁傾覆的安全隱患。

依據結構類型、橋梁寬度、跨徑布置及曲線半徑等進行分類，選取了具有代表性的聯進行了計算分析。并參考獨柱墩橋梁抗傾覆控制荷載重載車隊的模型進行車隊布載。單車為6軸車，每輛車總重165 t，車輛間距5 m，其布置圖如圖8所示。

圖8 車隊荷載布置

根據計算結果，在抗傾覆控制荷載重載車隊作用下，部分橋梁的抗傾覆安全系數均小于規范值，不能滿足要求。

表1 抗傾覆安全系數計算結果

4.2 抗傾覆加固設計

如前文所述，為避免主梁的橫橋向傾覆，將主梁腹板兩側與橋墩通過某種方式連接，當主梁有傾覆的趨勢時，產生拉壓桿效應，為有傾覆趨勢的主梁提供了一個反向力矩M，以抵抗主梁的傾覆力矩T，以提高主梁的抗傾覆能力。因此，本橋采用在箱梁兩側增設拉桿的方式進行防傾覆處理，如圖9所示。在主梁腹板兩側以及墩頂附近植入高強螺栓，布置鋼板并在鋼板上焊接耳板，然后將主梁及墩頂上的耳板通過鋼拉桿連接，形成主梁兩側的拉壓桿加固結構。

圖9 橋梁加固方案(單位:cm)

計算結果表明，加固后橋梁抗傾覆穩定系數大幅增加，且滿足規范要求。同時，下部結構橋墩本身斷面構造尺寸較大，承載能力滿足要求，加固后關鍵受力截面為拉桿及其連接構件截面，經計算拉桿與連接件強度也滿足承載力要求。

表2 抗傾覆安全系數計算結果

表3 防傾覆拉桿強度計算結果

4.3 傾覆穩定性監測

選定K匝道橋開展傾覆穩定性的監測，監測斷面為一聯兩段的伸縮縫墩頂處，測點布置在近支座處豎向位移測點(圖10)。圖11、12表明，K匝道橋梁結構在運營荷載作用下，一聯伸縮端墩定處梁底監測點豎向位移值均為負值(支座受壓)，監測期間未見明顯位移突變導致支座脫空，左右側梁體位移并未出現較大的反差，并且呈現一致的變化規律，表明K匝道橋被監測聯在運營荷載作用下未出現明顯的傾覆趨向，表明基于拉壓桿的抗傾覆加固結構的有效性。

圖10 豎向位移測點布置

圖11 橋3#墩處測點最大位移

圖12 橋6#墩處測點最大位移

5 結論

針對獨柱墩橋梁傾覆過程的最主要表現形式是主梁繞荷載作用側最外側支座連線方向轉動，為限制主梁剛體轉動，在杠桿原理基礎上，將主梁腹板兩側與橋墩通過鋼拉桿連接，形成抗傾覆力矩，提出了基于拉壓桿的獨柱墩抗傾覆加固結構，并在力學原理基礎上建立了抗傾覆穩定系數計算方法。該加固結構構造簡單，受力明確，加固效果好，設計與施工方便。工程應用實例表明，該加固結構能橋梁大幅增加抗傾覆穩定系數，實橋監測結果也驗證了加固結構的有效性和可行性，可為類似橋梁結構加固提供借鑒和參考。