淺談獨柱墩橋梁抗傾覆穩定性分析及加固設計

盧羿良

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

獨柱墩連續梁橋由來已久，是國內外比較常見的橋梁結構，獨柱墩因其墩身結構形式流暢，橋體美觀大方，并且具有占用橋下空間小，增加行車視野，改善橋梁下部空間布局，降低造價，經濟性好等諸多優點，被廣泛應用于橋梁的下部結構。尤其是在城市高架、公路跨線、匝道立交等下部空間有限或有行車需要的地方，常常能看到獨柱墩的身影。然而在我國，大型車輛超載現象比較嚴重，當連續出現多輛超載大車或重載車輛在橋梁的單側行駛時，則會產生嚴重偏載現象，當偏載打破橋梁邊界條件時，橋梁失穩支座出現脫空，導致獨柱墩橋梁發生傾覆[1]。

1 工程概況

甘肅省某高速公路立交橋設計于2003年，橋面全寬8.5 m，上跨排洪溝及灌溉渠，位于R=106圓曲線及緩和曲線上。上部結構采用（20.794+20+20）m+（3×20）m兩聯曲線預應力砼連續箱梁，橋梁全長：125.68 m。下部結構1#、2#和4#、5#號墩采用獨柱墩，且獨柱墩上設置單支座，因此對該橋兩聯連續梁進行抗傾覆驗算。

原橋梁設計荷載為：汽—超20，掛—120。

2 驗算的主要規定及條款

獨柱墩橫橋向抗傾覆穩定驗算除按照現行相關規范條文進行驗算外[2]，還應符合以下條款：

（1）在荷載作用下，單向受壓支座應保持受壓狀態。

（2）在標準值組合作用下，連續箱梁橋僅受受壓支座支承的情況下，滿足以下要求：

式中：kqf——抗傾覆穩定性系數，取kqf=2.5；在超載路段時，kqf應適當提高；

∑Sbk,i——使上部結構穩定的效應設計值；

∑Ssk,i——使上部結構失穩的效應設計值；

li——第i個橋墩處失效支座與有效支座的支座中心間距，在傾覆失穩極限狀態各橋墩僅存在一個有效支座；

RGki——全部支座有效的支承體系中，第i個橋墩處失效支座的永久作用支反力；

RQki——全部支座有效的支承體系中，第i個橋墩處失效支座的可變作用支反力。

其他說明：

①上述驗算汽車荷載考慮沖擊系數；

②汽車荷載效應（考慮沖擊作用）按各失效支座對應的最不利布置形式取值；

③在基本組合和汽車荷載效應分項系數為3.4時，活載及橫向分布系數均按照《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）取值。

3 抗傾覆驗算荷載取值

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

（2）荷載按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）規定采用。

（3）自重：鋼筋混凝土容重取25.0 kN/m3。

（4）驗算荷載：公路-Ⅰ級，抗傾覆驗算時考慮車道在曲線內側偏載和曲線外側偏載2種工況。

（5）二期恒載。橋面鋪裝：橋面為9 cm厚鋼筋混凝土（重力密度取25.0 kN/m3）+9 cm厚瀝青混凝土（重力密度取23.0 kN/m3），橋面凈寬7.5 m，所以鋪裝層的單位長度質量為：（25+23）×0.09×7.5=32.4 kN/m；

防撞墻（單側）：防撞護欄為鋼筋混凝土實體。單側護欄折算線荷載集度25×0.3=7.5 kN/m 。

4 抗傾覆驗算結果

獨柱墩橋梁的抗傾覆驗算包括支座反力計算和抗傾覆系數計算。模擬獨柱墩橋梁在（重載或超重載）汽車荷載作用下，分別在匝道橋梁曲線內側和外側施加荷載，驗算在汽車偏載情況下，是否會引起橋梁邊界條件失效而失去平衡，導致橋梁支座單依次脫空，發生傾覆。橋梁的抗傾覆系數即上部結構穩定的效應設計值與上部結構失穩的效應設計值的比值，兩者分別為橋梁支反力和汽車活載對傾覆軸線的彎矩值。

依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）第4.1.8條及條文說明之規定，驗算匝道橋梁在曲線內側偏載和外側偏載兩種工況下箱梁的支座反力（特征狀態1）及抗傾覆穩定系數（特征狀態2）。圖1所示為匝道各支座的編號，圖2所示為該計算聯橋梁有限元模型，圖3所示為永久作用標準值作用下的支座反力。

圖1 匝道支座布置圖（單位：cm）

圖2 有限元模型

圖3 有限元計算永久作用標準值支座反力（單位：kN）

按內側偏載和外側偏載2種工況活載條件進行計算，并考慮橋梁恒載、溫度以及不均勻沉降等方面的影響，計算該橋第一聯橋梁曲線外側和內側偏載作用下的抗傾覆驗算結果。計算結果表明：曲線外側偏載作用時，該橋第一聯在作用基本組合下支座出現受拉情況，最大拉力為215.6 kN，不滿足規范要求，在作用標準值組合下，橫橋向抗傾覆穩定性系數最小值為1.2（＜2.5），不滿足規范要求；曲線內側偏載作用時，該橋第一聯在作用基本組合下支座均處于受壓狀態，滿足規范要求，作用標準值組合下，橫橋向抗傾覆穩定性系數最小值為1.8（＜2.5），不滿足規范要求。獨柱墩橋第二聯橋梁曲線外側和內側偏載作用下的抗傾覆驗算結果表明：曲線外側偏載作用時，該橋第二聯在作用基本組合下支座出現受拉情況，最大拉力為209.3 kN，不滿足規范要求，作用標準值組合下，橫橋向抗傾覆穩定性系數最小值為1.2（＜2.5），不滿足規范要求；曲線內側偏載作用時，該橋第二聯在作用基本組合下支座均處于受壓狀態，滿足規范要求，作用標準值組合下，橫橋向抗傾覆穩定性系數最小值為1.7（＜2.5），不滿足規范要求。計算結果如表1—表2。

表1 第一聯橋梁抗傾覆驗算結果

表2 第二聯橋梁抗傾覆驗算結果

5 加固設計

5.1 方案比選

方案一：對獨柱墩進行增大墩身截面加固。為提高橋梁的橫向穩定性能，使得原來橋墩立柱所受的偏心受壓作用減小。根據現場條件，通過植筋，澆筑混凝土，將橋墩兩側擴大為矩形實體墩，同時在新增部分設置抗壓支座，提高箱梁的橫向抗扭能力，改造方案見圖4。

圖4 橋墩加寬構造圖

方案二：對獨柱墩墩頂增設鋼蓋梁。在墩頂增設鋼蓋梁與橋墩形成可靠連接[3]。增設橫梁采用焊接鋼結構，通過錨栓錨固與橋墩頂部固結。鋼結構表面涂裝環氧富鋅底漆、環氧云鐵中間漆以及氟碳面漆。同時在原支座兩側各新增一個抗壓支座，實現由單支座變為多支座，以提高梁體的橫向抗扭能力，改造方案如圖5所示。

圖5 橋墩頂增設鋼蓋梁構造圖

方案三：對獨柱墩墩前端挖井基礎范圍外采用門式墩、樁基礎。為提高橋梁的整體橫向穩定性，在橋墩前端增設門式墩，利用門式墩的穩定性增加橋梁的抗傾覆能力，改善橋梁的整體受力。改造方案如圖6所示。

圖6 橋墩前端增設門式墩構造圖（單位：cm）

3種加固方案均能增大支座間距、使中墩單支承改為多支承體系，增大橋梁支撐系統的抗傾覆性。3種加固方案具體優缺點詳見表3。

表3 改造方案比選

5.2 加固效果分析

經加固處理并增設支座后，橋梁墩柱實現由單支座變為多支座，參照加固前的分析驗算過程進行抗傾覆穩定性分析驗算，曲線外側、內側偏載加載時，計算得到在作用基本組合下，該橋第一聯（3×20）m鋼筋混凝土連續梁的支座均處于受壓狀態，滿足規范要求；作用標準值組合下，橫橋向抗傾覆穩定性系數最小值為8.2＞2.5，滿足規范要求。第二聯（3×20）m鋼筋混凝土連續梁的支座均處于受壓狀態，滿足規范要求；作用標準值組合下，橫橋向抗傾覆穩定性系數最小值為8.7＞2.5，滿足規范要求。具體抗傾覆驗算結果見表4—表5。

表4 加固后第一聯橋梁抗傾覆驗算結果

表5 加固后第二聯橋梁抗傾覆驗算結果

6 結論

獨柱墩連續梁橋具有較多優點，特別是建設條件差、小半徑曲線、橋下空間受限等情況下，多使用獨柱墩連續箱梁結構形式。但現實中，因為一些偶然因素，致使橋梁突然受到極大的偏載作用，打破了原橋梁邊界平衡條件，導致橋梁支座脫空出現傾覆事故，造成極大的人員和財產損失。文章結合工程實例，對某高速立交獨柱墩進行抗傾覆驗算，根據驗算結果提出了增大支座間距、中墩由單支承改為多支承等方面加固處理措施，以期為同類工程的處理提供借鑒。