獨柱墩橋梁抗傾覆性分析與加固設計

李琛，陳緒棟

（1.中國公路工程咨詢集團有限公司，湖北 武漢 430023；2.陽新縣交通運輸局，湖北 黃石 435200）

獨柱墩橋梁由于其經濟性與環境適應性較好的優點，在早期橋梁設計中被大量采用，但近年來該類橋梁傾覆事故頻發，造成嚴重的安全事故和經濟損失，尤其是在2021 年12 月湖北鄂州境內滬渝高速匝道橋發生傾覆事故后，獨柱墩再次得到社會的廣泛關注。1980 年，斯特里特在分析橋梁的傾覆時，首次提出了穩定系數法[1]。隨后的一百多年中，國內外以此作為理論依據進行研究，如馮睿為[2]經過研究發現我國現行規范中存在一些條文問題，并以實際工程為依據提出了一些抗傾覆的建議。秦延飛、楊澤偉[3]經過數值模擬具體分析廣東省某橋梁的抗傾覆穩定性，提出了用三支座鋼蓋梁方案代替獨柱墩單支座方案，經過驗算該方案能顯著提高箱梁抗傾覆穩定性。本文以廣東某高速公路匝道橋為實例，按照廣東省地方相關文件和國家規范，進行抗傾覆穩定性分析，經過驗算，原設計不滿足相關要求，經過多個加固方案對比后，確定了最終能滿足相關要求的加固方案，能為同類型橋梁獨柱墩加固作參考。

1 工程概況

祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋位于廣東某高速公路互通內，施工圖設計日期為2002 年，全橋共一聯（16+2×20+16）m，橋面布置為：防撞護欄（0.5m）+11m（行車道）+防撞護欄（0.5m）。箱梁為單箱雙室截面，頂板寬度為12m，底板寬度7m，懸臂2.5m，直腹板，梁高1.1m，下部為柱式墩和獨立基礎，全橋均采用板式支座，由于1～3 號墩采用獨柱墩，故需對整橋進行抗傾覆驗算。祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋原設計平立面和剖面圖如圖1 所示。

圖1 祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋原設計平立面和剖面圖

2 原設計模型抗傾覆穩定性驗算

2.1 計算依據

根據《廣東省高速公路獨柱墩連續箱梁橋橫向抗傾覆安全性評估驗算指導意見》（簡稱《指導意見》）多車道布載規定：當橫橋向僅布置一條車道汽車荷載時，其橫向車道布載系數采用1.0，汽車荷載效應（含汽車沖擊力）分項系數采用3.4。當布置一條以上車道汽車荷載時，最外側車道汽車荷載效應（含汽車沖擊力）分項系數采用3.4，其余車道分項系數按現行規范采用，全部車道的橫向車道布載系數均按現行規范采用。

2.2 模型建立

采用Midas Civil 2022 有限元軟件建立祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋原設計上構模型，分析該獨柱墩橋梁的抗傾覆穩定性。上部結構主梁采用C40 等級混凝土，抗壓強度設計值為18.4Mpa，彈性模量為3.25×104Mpa，容重為26KN/m3；二期恒載：單側防撞欄9.3kN/m，橋面鋪裝：100mm 厚瀝青混凝土，容重24KN/m3；重力等效系數：-1.04；系統溫度：±25℃；溫度梯度：±5℃；由于其為既有老橋，故支座沉降選取0。橋梁其余相關參數按照國家現有規范選取。由于混凝土連續梁橋的預應力布置形式對支座的反力影響較大，模型中未施加預應力會導致該處反力偏大，從而導致抗傾覆系數偏大，模型失真，故預應力的施加應該按照實際情況考慮。原設計模型如圖2 所示。

圖2 祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋原設計計算模型

2.3 驗算結果

根據計算模型和上文中提到的相關文件要求的結果可知：

（1）支座脫空驗算：在基本組合作用下，大小樁號側橋臺支座均出現脫空情況，不滿足相關要求。

（2）結構抗傾覆驗算：汽車荷載效應（含汽車沖擊力）分項系數采用3.4，在移動荷載處于最不利的情況下，驗算得到抗傾覆系數為2.02，小于規范下限值2.5，故不滿足規范要求。

綜上所述，祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋原設計計算模型抗傾覆穩定性均不滿足規范要求，橋梁可能發生梁片傾覆、支座擠出、橋墩側傾等安全事故，為了消除相關安全隱患，需對既有橋梁進行加固處理。

3 獨柱墩加固方案設計

針對祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋獨柱墩處理方案可以從結構內外兩個方面考慮：（1）減小移動荷載偏心作用，如對車輛進行限高通行，減小汽車荷載；將多車道改為單車道，減少車輛偏心距。但是此方法僅適用于通行需求不高的路段，對于高速公路，此方法會嚴重阻礙交通運輸，因此不推薦。（2）從橋梁設計抗傾覆原理出發，增加梁體抗傾覆能力，如增加梁端自重、在梁端增加抗拔措施、將單支座系統改為墩梁固結和單支座改為三支座等方法。

由于增加梁端自重對整體結構受力不利，同時受到地基承載力等因素的限制，故在此橋中不予考慮；對于增加抗拔措施，由于會破壞梁體或者橋臺的整體，而且其效果受到施工質量影響較大，故在此不推薦使用；對于將單支座系統改為墩梁固結，理論上是可以解決上構梁體傾覆的問題，該方法也比較經濟，但是由于改變了整體受力體系，同時對于較高的橋墩，下部會產生較大的彎矩影響其受力，故此方法也不推薦使用。綜上所述，本文推薦采用單支座改為三支座的獨柱墩加固方法，常見的具體方案如下：

方案一：增加支撐墩，在獨柱墩基礎側增加滿足地基承載力要求的基礎，直接增設鋼管支頂，將C40 微膨脹混凝土灌注在鋼管內，在鋼管頂部設置支座，同時在新老墩柱間橫向增加鋼系梁。使用支撐墩方案加固后的效果圖如圖3 所示。此方法大大增加支座間距，故對抗傾覆穩定性系數有較大提高，與此同時，由于直接增加了墩柱和基礎導致支座反力被重新分配，減小了既有橋墩和基礎的受力，同時增加橫向聯系后也提高了墩柱的整體性能，大幅提高結構整體性。但是由于新增加基礎會影響到既有基礎的地基承載力，故導致墩間不能過小，因此該方法不適宜于橋面寬度較小的橋梁，考慮到該加固方案的造價較高以及需要阻斷交通等因素，故此加固方案不采用。

圖3 支撐墩方案加固后的效果圖

方案二：獨柱墩處增設鋼蓋梁，將預制完成的鋼蓋梁錨固于獨柱墩頂部，同時在兩側設置與原設計同類型的支座，相關尺寸大小根據橋墩、基礎、支座類型和抗傾覆驗算結果等因素確定，使用鋼蓋梁方案加固后的效果圖如圖4 所示。由于此方案采用鋼結構，具有施工速度快、對橋墩基礎影響不大、經濟性良好、對交通影響小等優勢，同時也適合于橋面寬度較小的橋梁。缺點就是長時間后容易掉漆生銹，需要定期檢查和補漆。

圖4 鋼蓋梁方案加固后的效果圖

綜合抗傾覆效果性、經濟性和社會影響性等各方面因素考慮，建議本橋采取鋼蓋梁方案加固。

4 加固方案及加固前后抗傾覆穩定性對比

根據上下構以及基礎各部件的受力驗算及方案對比得到最終的加固方案：（1）由于該橋2 號墩位于高速公路中分帶，施工對交通影響較大，故只在1、3 號墩處設置鋼蓋梁，加固后的三支座間距為2m，橋臺處不做方案調整。（2）由于加固后的獨柱墩受到傾覆力矩的影響，在三支座的作用下處于偏心受壓狀態，既有獨柱墩尺寸不滿足受力要求，故將墩柱尺寸由140cm加固為180cm。（3）地基承載力在加固后滿足受力要求，故基礎不做調整。

基于原設計模型，修改相關參數后，加固后的模型如圖5 所示。由于鋼蓋梁支座為后期安裝支座，故只有梁體發生傾斜時候，該支座才參與受力，故在橋梁加固前后驗算抗傾覆穩定性的過程中，鋼蓋梁處支座的永久作用標準值為0。

圖5 鋼蓋梁方案加固設計后的計算模型

加固前后驗算結果如下表1 所示：

表1 鋼蓋梁方案加固前后驗算結果對比

根據上表可知，加固處理后的梁體在經過支座脫空驗算和抗傾覆穩定性驗算后，其結構安全性均得到大幅提高，滿足按照《指導意見》和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）的相關要求。

5 結論

本文以實際獨柱墩橋梁為例子，根據廣東省地方要求和國家現有規范，使用Midas Civil 2022 有限元軟件進行數值模擬，分析加固前后的驗算結果，并提出相關加固措施的對比方案，得到以下幾個方面的結論：

（1）根據原設計模型驗算結果表明，祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋支座脫空驗算和抗傾覆穩定性不滿足相關規定，需要進行加固處理；

（2）結合該橋梁實際情況，對比分析了四類加固方案，最終得到鋼蓋梁方案為最優方案；

（3）根據加固后模型驗算結果顯示，鋼蓋梁方案能大幅提高獨柱墩橋梁的抗傾覆穩定性能力。