八一大橋獨柱墩抗傾覆加固方案分析

溫忠輝

（南昌市城市規劃設計研究總院，江西 南昌 330038）

1 項目背景及概況

由于近幾年中國交通運輸發展迅猛，出現了許多超重車輛，發生了多起橋梁傾覆事故，其中獨柱墩橋梁的傾覆問題廣受關注。江蘇無錫市318國道于2019年發生橋梁傾覆倒塌，事故導致了多人傷亡，同時產生了惡劣的社會影響。為了確保橋梁的安全運行，南昌市對八一大橋南北立交工程中獨柱墩橋梁進行初步的傾覆風險評估，對存在傾覆風險的獨柱墩進行了抗傾覆方案設計。在此背景下，對中心城區現狀橋梁進行維修加固，從而提高城市交通服務水平。

隨著橋梁傾覆倒塌的事件不斷發生，對獨柱墩的傾覆越來越重視。2018年實施了相關規范[1-2]，對橋梁的抗傾覆能力做了明確要求，同時相關的學者對橋梁的傾覆機理[3]進行深入研究。

八一大橋由南北立交引橋和主橋兩部分組成，主橋為雙塔雙索面斜拉橋，總長1 040 m。南北立交引橋為混凝土箱形連續梁，受立交線形控制，有多處異形板塊。箱梁高1.15 m，翼緣懸臂長機動車道為2.0 m，非機動車道橋為1.85 m，橋面凈寬15 m者為單箱三室，橋面凈寬11 m者為單箱雙室，橋面凈寬7 m者為單箱單室。橋梁跨徑一般為20 m，根據實際情況部分跨徑有所調整，最大跨徑為21.5 m，最小跨徑為18 m。

圖2 八一大橋南立交平面示意圖

具體橋梁分布位置見圖1至圖3。八一大橋橋梁加固具體統計信息，見表1。

圖1 八一大橋立面圖（單位：m）

圖3 八一大橋北立交平面示意圖

表1 八一大橋南北立交加固墩數量表

考慮到該工程橋梁的匝道數量較多，為了突出重點，本文選取了C線橋第三段（見圖4）為主要的研究對象。該聯橋梁情況如下:匝道橋梁軸線為圓曲線，半徑為50 m；共有6跨，跨徑為19.5 m+3×21 m+19 m+20.5 m；橋寬11.88 m；橋墩墩號為C17#～C23#（見圖5 ），C17#和C23#墩有下牛腿，上下兩層各有兩個支座，支座間距為6.28 m；該聯兩端設伸縮縫，是單獨聯。

圖4 C匝道第三段立面圖

圖5 C18#和C19#墩現場照片

2 加固設計原則

由于八一大橋位于南昌城市中心，且大橋已進行了限載管理，超限重車上橋幾率較小，因此獨柱墩橋梁抗傾覆驗算及加固方案設計不考慮超載效應，僅考慮在現有城市-A級荷載下，橋梁能夠滿足現行規范[1]的傾覆要求。具體條款如下：

（1）在基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態。

（2）當橋梁只使用單向受壓支座時，符合下式要求：

式中：kqf為傾覆安全系數，取2.5；∑Sbk，i為標準組合下使結構穩定的作用效應設計值；∑Ssk，i為標準組合下使結構失穩的作用效應設計值。

圖6為傾覆失穩時有效支座示意圖。

圖6 傾覆失穩時有效支座示意圖

（3）在加固橋梁時不能損害原有結構，保持原結構的強度不變。

（4）加固過程中應考慮結構可能出現失穩等不利情況，必要時采取相應加固措施。

（5）加固設計應根據原有設計資料和相關檢測報告，同時現場確認。

3 技術標準

（1）原設計橋梁荷載等級

橋涵設計荷載：機動車道采用汽車-超20級，掛車-120；非機動車道采用滿布人群荷載，汽車-10級。

（2）抗傾覆加固后設計標準

本次維修加固僅按規范中有關抗傾覆規定進行加固設計，其余技術標準維持原設計。

4 加固設計方案

根據結構受力特點及該項目實際情況，經分析可采用三種加固方案。

4.1 三種加固設計方案

4.1.1 方案一：墩頂新增蓋梁

通過增設蓋梁，增加了支座的數量和支承間距，提高了結構的抗傾覆能力。由于該加固方案改變了箱梁底部的受力方式，因此需要對箱梁底部進行優化設計，同時考慮橋下施工空間以及施工流程等因素的影響。具體方案如圖7所示。

圖7 方案一加固示意圖

4.1.2 方案二：增設墩柱

在原有獨柱橋墩兩側增加樁柱，使結構改為多支承。新增支座間距可以采用較大間距，可大大加強結構抗傾覆能力。增設墩柱不改變原有橋墩的受力模式，無需損傷原有墩柱，施工期間的風險較小。但新增墩柱占用較大的橋下空間，受橋梁現有建設條件影響較大。同時，對于橋寬較小的橋梁，由于下部樁基間距較大，可能需要對原有上部結構橫梁進行加寬處理。施工過程主要涉及樁柱施工、增設支座以及橫梁加寬（橋寬小時）等流程。具體方案如圖8所示。

圖8 方案二加固示意圖（單位:cm）

4.1.3 方案三：增設樁基、外包墩柱以及加蓋梁

原有樁基新建承臺，并新增兩根樁基，澆筑完成后加固橋墩，并在橋墩頂部新增蓋梁。本方案對橋下空間的要求比方案二小，施工復雜度較大，結合了方案一和方案二的優點。具體方案如圖9所示。

圖9 方案三加固示意圖（單位：cm）

4.2 加固方案綜合比較

對上述三個方案進行綜合比較（見表2）。

表2 八一大橋南北立交加固方案綜合比較表

方案一加設蓋梁后，橋墩的受力方式發生變化，承受蓋梁支座力產生的彎矩，原有老橋圖紙中樁基鋼筋不滿足受力要求；方案二由于占用橋下空間較大，在老城區施工沒有足夠空間；方案三通過增設承臺和樁基，提高了抵抗彎矩的能力，同時對橋下空間占用不大。

因此，經過對三種加固方案的施工難度、對景觀影響、對交通的影響、施工空間、施工工期以及施工造價等多方面比較，推薦采用方案三。

4.3 加固方案設計計算

本文選取八一大橋南橋頭的C線橋第三段進行驗算。該橋曲線半徑為50 m，共有6跨，跨徑為19.5 m+3×21 m+19 m+20.5 m，橋寬11.88 m。

4.3.1 材料計算參數

（1）混凝土

箱梁混凝土標號C40。

（2）鋼筋

普通鋼筋：按各聯箱梁相關圖紙，并對應設計規范，進行取值。

4.3.2 計算荷載（1）恒載

恒載：箱梁自重；10 cm鋪裝層重量，防撞護欄重量按相關圖紙取值。

（2）活載

車道荷載：驗算車輛荷載為城市-A級。

4.3.3 原橋抗傾覆計算

（1）計算模型

建立有限元模型，考慮橋梁施工階段，分析各種因素對支座反力的影響。該橋的主梁截面如圖10所示。

圖10 C線橋第三段橫斷面示意圖（單位:cm）

該橋有限元模型共計60個節點，50個梁單元，橋梁有限元模型見圖11。

圖11 C線橋第三段有限元模型

該橋的支座采用一般支承模擬，從左到右的樁號為C23～C17。

（2）計算結果

根據圖紙以及現場初步調查情況，八一大橋南橋頭C線橋第三段獨柱墩連續箱梁橋橫向抗傾覆驗算結果見表3。

由表3計算可知，現有八一大橋C線橋第三段不滿足現行新規范抗傾覆要求，建議針對八一大橋南北橋頭工程進行加固。

表3 八一大橋南北立交抗傾覆驗算表格

5 加固后抗傾覆分析

結合現場建設條件，對C20#～C22#墩進行獨柱墩加固，加固方案采用增設樁基、外包墩柱以及加蓋梁。

5.1 加固計算模型

根據現場的調查情況，C線橋第三段的C18#和C19#墩跨越中間匝道，施工時空間不夠，因此該橋加固的橋墩是C20#～C22#墩，在C20#～C22#墩增設支座，支座間距為2.74 m。具體加固方案如圖12所示。

圖12 C線橋第三段加固方案

5.2 計算結果

考慮加固方案后，對加固后的結構進行建模計算，計算結果見表4。

由表4計算結果可知，八一大橋C線橋按照方案三增設樁基、外包墩柱以及加蓋梁加固后，抗傾覆能夠滿足規范要求。

表4 八一大橋南北立交加固后抗傾覆驗算表格

6 結語

本文以八一大橋南北立交獨柱墩加固工程為研究背景，對八一大橋南北立交進行了抗傾覆加固的研究，提出了相應的加固方案，并對橋梁進行了抗傾覆加固計算，得出了以下結論。

（1）針對本文背景工程的具體情況，提出了三種抗傾覆方案，分別是墩柱加蓋梁、增設墩柱以及增設樁基、外包墩柱加蓋梁。結合橋梁的實際情況，考慮橋梁的受力、橋下空間、施工、景觀、交通影響以及造價等因素，最終推薦方案三的加固方案。

（2）本文通過對C線橋第三段的抗傾覆計算可知，橋梁的抗傾覆能力不滿足要求，需要對橋梁抗傾覆加固，使其滿足規范要求。

（3）考慮施工空間和方案的可行性，本文對C線橋第三段采用方案三加固，加固墩為C20#～C22#，增設支座間距為2.74 m，抗傾覆計算結果表明滿足規范要求。

（4）由于本文依托工程的局限，最終選取了加固方案三。方案一和方案二均有其優點，在適宜的工程環境下可以考慮采用上述兩種方案。