城市獨柱墩橋梁抗傾覆加固改造設計探討

杜 軍

（南京市城市道路管理中心，江蘇 南京 210018）

0 引言

獨柱墩橋梁具有結構輕巧、占地少、施工方便等優點，往往是城市立交和高架橋優選的下部結構形式。這類橋梁的上部結構通常采用連續箱梁的結構來提升跨越能力，達到城市土地資源的高效利用。但近年來，獨柱墩橋梁傾覆事故頻發。2017 年4 月杭州蕭山高架橋發生傾覆垮塌，2019 年10 月無錫312國道橋梁發生傾覆垮塌。這些事故給人民生命財產造成重大損失。本文介紹在不顯著改變原有橋梁結構受力體系的條件下對獨柱墩進行改造，并使其技術指標滿足現行設計規范的要求。

1 獨柱墩橋梁排查情況

2018 年11 月1 日實施的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）[1]增加了橋梁穩定性設計指標，即在持久狀況下，梁橋不應發生結構體系改變，并應同時滿足下列規定：

特征狀態1：在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態。

特征狀態2：按作用標準進行組合時，整體式截面簡支梁和連續梁的作用效應應符合式（1）要求。

式中：kqf為橫向抗傾覆穩定性系數，取kqf=2.5；∑Sbk，i為使上部結構穩定的效應設計值；∑Ssk，j為使上部結構失穩的效應設計值。

2018 年，南京市按照新頒布的《城市橋梁養護技術標準》（CJJ 99—2017）[2]中有關獨柱墩橋梁的養護要求，對全市獨柱墩橋梁進行隱患排查，并按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）對獨柱墩橋梁的橫向抗傾覆穩定性進行了驗算。結果顯示，在南京市29 座立交和高架橋中共有獨柱墩橋梁308 聯，其中148 聯橫向抗傾覆性能滿足規范要求，占比48%，160 聯橫向抗傾覆性能不滿足規范要求。在不滿足規范要求的橋梁中，有121聯（鋼箱梁1 聯）特征狀態1 不滿足規范，占比39.2%；有7 聯（鋼箱梁1 聯）特征狀態2 不滿足規范，占比2.3%；有32 聯（鋼箱梁7 聯）特征狀態1 和特征狀態2 都不滿足規范，占比10.4%。

2 獨柱墩橋梁加固改造原則

根據南京市獨柱墩橋的調查計算結果，綜合考慮獨柱墩橋梁結構和構造特點、抗傾覆機理及過程、橋梁運行狀態和交通現狀等多方面因素，提出以下加固改造原則：

（1）提高獨柱墩橋梁抗傾覆性能，加固改造后抗傾覆性能滿足現行規范要求。

（2）加固改造不顯著改變結構受力體系，盡可能降低對既有構件的影響。

（3）加固改造后的橋梁滿足原功能要求（如橋下凈空）。

（4）考慮橋梁空間布局及周邊環境，改造后橋梁外觀與周圍環境相協調。

（5）盡可能降低對交通的干擾。

3 橋梁支座脫空改造方案

對于存在支座脫空風險的橋梁，在其梁底增設抗拉拔裝置。抗拉拔裝置由錨固鋼結構及銷軸組成。錨固鋼結構分為上下兩部分，通過銷軸連接，通過植入螺桿分別與箱梁底和橋墩連接，允許箱梁產生水平向位移。改造方案見圖1 和圖2。

圖1 抗拉拔裝置示意圖（單位：cm）

圖2 增設抗拉拔裝置改造后照片

4 抗傾覆穩定性系數不足的改造方案

為確定獨柱墩單支座橋梁抗傾覆加固改造的整體方案（即只在一個中墩增設支座，還是在所有中墩均增設支座），選取南京市四跨一聯曲線型獨柱墩橋梁進行分析對比，確定單支座混凝土箱梁的整體改造方案。

改造方案一：只在一個中間墩兩側增設支座，假定恒載作用下，僅原設計支座參與受力，在活載作用下，如外側傾覆，則內側支座不受力，外側支座受力。支座受力如圖3 所示，抗傾覆驗算見表1。

圖3 混凝土箱梁橋抗傾覆整體改造方案一示意圖

表1 混凝土箱梁橋抗傾覆改造方案一驗算表

改造方案二：對三個中間墩兩側均增設支座，假定恒載作用下，僅原設計支座參與受力，在活載作用下，如外側傾覆，則內側支座不受力，外側支座受力。支座受力如圖4 所示，抗傾覆驗算結果見表2。

圖4 混凝土箱梁橋抗傾覆整體改造方案二示意圖

表2 混凝土箱梁橋抗傾覆改造方案二驗算表

對比以上方案：方案一獨柱墩間隔設置雙支座時，特征狀態1 與特征狀態2 的驗算結果均不滿足規范要求；方案二獨柱墩均增設雙支座時，特征狀態1 驗算結果顯示原支座滿足要求，特征狀態2 驗算結果表明穩定性滿足規范要求。通過以上計算分析還可以看出，對于特征狀況1 和特征狀態2 同時不滿足設計規范要求時，可以通過在每個中間墩增設支座的方案進行改造。

4.1 增設支座改造方案

在墩頂位置設置鋼抱箍，鋼抱箍與墩柱通過植入螺栓連接。鋼抱箍為兩塊半圓形的箍板，安裝時在箍板連接面處設置連接鋼板，采用連接螺栓連接。連接鋼板處設置肋板保證連接處的鋼板傳力安全。增設雙支座改造方案見圖5 和圖6。

圖5 增設雙支座改造示意圖（單位：cm）

圖6 增設雙支座改造后照片

4.2 增設雙支座對原橋梁結構受力影響分析

以下選取橋墩受力較為不利的南京市長江大橋接線高架第一、二聯來分析增設支座對橋梁結構的受力影響。長江大橋接線高架基本資料：設計荷載汽—20，掛—100，橋梁寬8 m，單向兩車道，墩高7.05～11.07 m，橋墩直徑1.4 m，橫梁寬高比4.34/1.36=3.19。

4.2.1 增加支座對橋墩受力影響分析

用Midas 軟件對橋墩增設雙支座的結構受力進行計算，計算結果見圖7 和圖8。

圖7 長江大橋接線橋第一聯使用階段正截面抗壓承載能力驗算圖

圖8 長江大橋接線橋第二聯使用階段正截面抗壓承載能力驗算圖

通過以上橋墩受力驗算：橋墩使用階段的裂縫寬度小于0.1 mm，滿足規范要求；橋墩正截面抗壓承載能力滿足規范要求，且墩柱抗力富余較多，不需要對橋墩進行加固。

4.2.2 增設支座對箱梁橫梁受力影響分析

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）8.3.1 條規定：當橫隔梁寬高比Bw/h＜2 時，按鋼筋混凝土受彎構件進行計算。計算模型單元寬度參照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018） 附錄8.3.2 條規定，取3 倍橫梁腹板寬度，計算結果見圖9和圖10。

圖9 長江大橋接線橋7# 墩橫梁彎矩包絡圖

圖10 長江大橋接線橋7# 墩橫梁剪力包絡圖

通過以上驗算，橫梁彎矩和剪力均滿足規范要求。

4.3 鋼箱梁花瓶墩改造方案

4.3.1 方案一

在箱梁外側增設上錨梁，通過高強螺栓與鋼箱梁連接，連接位置設置在箱梁腹板及挑梁下緣。腹板處高強螺栓可通過在腹板上開設手孔進行安裝。在墩頂兩側增設下錨梁，通過植入螺桿與橋墩連接。上下錨梁間設置抗拉拔球形支座，新設支座設置在箱梁腹板位置。不對梁體進行頂升，使新設支座僅承受活荷載作用產生的拉（壓）力。改造方案見圖11。

圖11 鋼箱梁橋花瓶墩增設雙支座改造示意圖（單位：mm）

（1）優點

橋梁的抗傾覆性能提高明顯。（2）缺點

a. 新設支座受力較大。新設支座不僅受汽車偏載作用，還承受梯度溫度作用引起的次內力。

b. 新設錨箱與箱梁及橋墩間的連接條件有限，箱梁處僅靠橫隔板相連傳力，橋墩處鋼牛腿懸臂受力較為不利。

c. 部分橋梁改造位置與既有起頂橫梁位置相沖突，后期支座更換麻煩，養護困難。

d. 改造費用相對較高。

4.3.2 方案二

采用增設抗拉拔裝置對鋼箱梁橋抗傾覆進行加固，拉拔裝置承載力根據橋梁抗傾覆性能需要確定。抗拉拔裝置橫向位置與既有支座對齊，保證支座受力與理論一致。抗拉拔裝置分上下兩部分，通過植入錨栓與箱梁和橋墩連接。對于箱梁內無壓重混凝土橋跨，在箱內設置縱橫向格子梁與既有結構連接，傳遞拉力。上下部分之間通過銷軸連接，銷軸局部切削以提高局部承壓能力。下拉桿開設長圓孔，使上下兩部分之間可水平自由變位，以適應因溫度作用產生的箱梁縱、橫向水平位移，從而僅承受活載產生的支座脫空拉力。改造方案見圖12。

圖12 鋼箱梁橋增設抗拉拔裝置改造示意圖（單位：mm）

（1）優點

a. 鋼箱梁受力更為合理。

b. 改造費用低。

（2）缺點

與增設支座相比，抗傾覆穩定性系數略有降低。

綜合對比方案一和方案二的優缺點，推薦采用增加抗拉拔裝置（方案二）來提高鋼箱梁花瓶墩的抗傾覆性能。

5 結 論

通過南京市已完成的城市獨柱墩橋梁的改造工程，得出以下主要結論：

（1）特征狀態1 不滿足規范的，可在梁底與橋墩之間設置抗拉拔裝置，使支座始終處于受壓狀態。

（2）特征狀態2 不滿足規范的，可在獨柱墩上采用鋼抱箍形式增加支座，提高橋梁的橫向抗傾覆穩定性系數。

（3）特征狀態1 和特征狀態2 都不滿足規范的，混凝土箱梁可以通過在中間墩增加支座的方式進行改造，鋼箱梁可以通過增設抗拉拔裝置進行改造。