獨柱墩梁橋抗傾覆穩定性分析及加固改造研究

作者簡介：

黃書考（1996—），碩士，助理工程師，研究方向：橋梁加固改造。

文章對獨柱墩梁橋傾覆事故及常見破壞形式進行總結，分析獨柱墩梁橋傾覆破壞過程原理及其抗傾覆性能的重要影響因素，對獨柱墩梁橋抗傾覆驗算的支座反力法與穩定系數法進行研究，探討其加固方式及原理，并結合廣西南友高速公路某互通立交跨線橋抗傾覆加固工程項目實例，從經濟、安全等方面比選出合理的加固方案，采用穩定系數法對該橋抗傾覆性能進行驗算。研究成果可為類似獨柱墩梁橋抗傾覆穩定性分析、加固改造設計提供參考。

獨柱墩梁橋；抗傾覆；影響因素；驗算方法；加固設計

中圖分類號：U443.2 A 28 090 3

0 引言

隨著城市復雜立體交通網絡的不斷發展，為緩解橋梁基礎與地下建筑的沖突，改善橋梁下部結構空間布局，減少占地面積，獨柱墩梁橋成為互通立交的常見橋型，其具備結構輕巧、跨越能力強等特點。但近年來，我國發生了多起獨柱墩梁橋傾覆事故，這使得獨柱墩梁橋的橫向抗傾覆穩定性逐漸被重視。同時，交通運輸部于2018年正式頒布了《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018），越來越多的獨柱墩梁橋需要進行抗傾覆性能驗算。本文以獨柱墩梁橋加固改造的工程實例為基礎，分析了獨柱墩梁橋的結構特點、抗傾覆穩定性影響因素、驗算方法以及加固改造方案設計，為獨柱墩梁橋的加固改造工程提供參考。

1 獨柱墩梁橋傾覆事故分析

在超限的偏心荷載作用下，獨柱墩梁橋發生傾覆事故前不會出現明顯征兆，難以提前做好預防，一旦發生事故則損失慘重。通過總結十多年來我國發生的獨柱墩梁橋傾覆事故原因及造成的傷亡情況，可以發現其破壞形式大多為主梁整體傾覆側翻而導致的橋梁破壞，如表1所示。

2 獨柱墩梁橋結構分類及常見破壞形式

2.1 結構分類

獨柱墩梁橋可以按照中墩數量、支承方式、中墩連接方式和主梁類型等多種方法進行分類。其中，按照中墩數量及墩上支座數量的不同，可以分為獨柱單支承、獨柱雙支承和雙柱支承3類。按照中墩連接方式及主梁類型的組合，可以分為中墩固結獨柱梁橋、中墩鉸接直線獨柱梁橋及中墩鉸接曲線獨柱梁橋3類［1］。

2.2 常見破壞形式

在偏心超載作用下，根據破壞形態，可以將獨柱墩梁橋的破壞形式分為單側支撐系統破壞、橫橋向傾覆失穩破壞及整體傾覆破壞這3種類型。獨柱墩梁橋傾覆過程分類如圖1所示。

2.2.1 單側支撐系統破壞

曲線型獨柱墩梁橋，在超限偏載作用下，梁的中間支座會有向上位移的趨勢，中間支座提供的約束反力會減小。梁端一側提供抗扭約束的部分支座可能出現反力甚至發生脫空現象，最終導致支座反力重分配；另一端支座反力增大，使梁端接頭處破壞或橋墩發生偏心受壓破壞，最終導致橋梁結構發生傾覆破壞。

2.2.2 橫橋向傾覆失穩破壞

獨柱墩梁橋特別是支座距離較小的寬梁橋，在超限偏載作用下，某一方向支座發生空鼓導致端頭轉角幅度增大時，使梁體發生滾動傾覆破壞，或梁體扭轉變形增大從而出現剪扭破壞。

2.2.3 整體傾覆破壞

在超限的偏心荷載作用下，梁體的扭轉趨勢使支座產生橫向移動趨勢，從而導致橋墩受到水平反作用力，當梁體扭轉角度不斷增大時，橋墩可能因此發生彎曲破壞，最終導致結構發生整體破壞。

3 抗傾覆穩定性分析

3.1 傾覆破壞過程原理

獨柱墩梁橋發生傾覆破壞時，通常是梁體整體側向翻轉，即傾覆過程經歷兩個特征狀態：特征狀態1是當偏載過大時，支座不能提供正常約束，即遠離偏載側邊墩支座出現脫空現象；特征狀態2是當梁的扭轉變形增大，中墩支座轉角超限，抗扭力矩失效。直橋抗傾覆性能通常由特征狀態1控制，而彎橋的抗傾覆性能通常由特征狀態2控制。如圖2所示為橋梁的傾覆破壞過程的原理。

3.2 影響因素分析

獨柱墩梁橋的受力影響因素有很多，如橋梁的曲率半徑、邊墩和中墩類型、邊墩和中墩支承方式、跨數及跨徑組合、橋面寬與支座橫向間距比值、荷載布置等都是影響獨柱墩梁橋抗傾覆能力的重要因素。其中，橋面寬與支座橫向間距比值是決定獨柱墩梁橋抗傾覆穩定性的關鍵因素，比值越小，橋梁的抗傾覆穩定性就越高［2］。

4 橋梁抗傾覆驗算方法

4.1 支座反力法

由于獨柱墩曲線梁橋的結構特性，上部結構存在自重產生的扭矩，即“彎扭耦合”作用。在偏心活載作用下，結構彎扭耦合效應加劇，橋梁內側支反力減小，甚至發生脫空翹起現象。規范［3］指出，不允許出現受拉支座，即支座不能出現脫空現象，否則橋梁存在傾覆風險。但僅憑支座是否脫空來判斷獨柱墩的抗傾覆性是不充分的，需要結合橋梁整體的空間計算來確定。

4.2 穩定系數法

傾覆軸位置的選取及傾覆臨界狀態的判斷是穩定系數法計算的核心內容。確定最不利傾覆軸線后，計算特征狀態1和特征狀態2的傾覆力矩。特征狀態1驗算取單倍RGki與1.4倍RQki之和為荷載基本效應組合下的支座反力值，若該值＞0，則無傾覆風險；若≤0，則存在傾覆風險。特征狀態2驗算采用ΣRGkili/ΣRQkili的比值，若該比值＞2.5，則無傾覆風險；若≤2.5，則存在傾覆風險。

4.3 結構傾覆軸線

汽車超載及偏載等可能使橋梁邊界條件被破壞從而引起失穩，導致發生傾覆事故。對橋梁進行抗傾覆驗算時，首先要確定其傾覆軸［4］。對于直線梁橋，其傾覆軸線為同側支座連線；對于曲線梁橋，半徑小的曲線梁橋可能有多條傾覆軸線，不同的傾覆軸選取會導致抗傾覆穩定系數計算結構不同。在小半徑獨柱墩曲線梁橋中，最不利的傾覆軸線為中墩支座連線，本文以四跨連續梁橋為例，進行直線梁橋和曲線梁橋傾覆軸的確定，具體如圖3、圖4所示。

5 獨柱墩梁橋加固研究

5.1 加固原則

進行獨柱墩梁橋抗傾覆加固改造時，應注意以下原則：（1）安全第一，確保施工人員和過往車輛通行安全；（2）真實評估橋梁實際的受力特性，對橋梁結構進行有限元計算分析；（3）盡量避免橋梁因結構改變而發生安全穩定問題；（4）綜合考慮實際情況及設計方案的經濟實用性，選出最佳加固方案［5］。

5.2 加固類型

獨柱墩梁橋的抗傾覆加固改造關鍵部位是其下部結構和支座，可以采用多種加固方法，主要分為兩大類型：

（1）改變結構體系的加固類型。通過將中墩的單支座改為墩梁固接的形式來減少橋墩墩頂位置處的自由度，提高橋墩和橋梁的穩定性，同時還可以提高結構的抗震性能，但施工工期較長。

（2）提高獨柱墩梁橋穩定性能類型，其主要方式是將原來的中墩單支座模式改為雙支座或者多支座支承，利用該方法可減小橋梁的抗扭跨徑，使內外側支座受力更加均衡，提高結構的整體抗傾覆能力。

橋梁的抗傾覆系數隨著端支座間距的增大而增大，因此，在條件允許的情況下，可以通過增設橫向支承的方式對在役獨柱墩梁橋進行加固，其原理是通過增大支座間距或抗拔約束來增加抗扭力矩，從而明顯提升橋梁抗傾覆能力。如對于含蓋梁的橋梁，可以直接在蓋梁上增設寬度較大的支承；對于獨柱墩無蓋梁的橋梁，可增設蓋梁、抗拔約束或單墩進行加固。

6 工程實例加固設計及抗傾覆驗算

6.1 工程概況

G7211南友高速公路某互通立交跨線橋，橋梁全長77.12 m，與路線交角為97°，跨徑組合為（16+2×20+16）m，橋面寬度為兩側護欄+雙車道，即（0.5×2+9.5）=10.5 m。其上部結構為采用滿堂支架現澆法施工的預應力混凝土連續箱梁，下部結構為雙柱式橋臺、樁基礎，雙支座。橋墩1#、3#墩為單支座獨柱墩，2#墩為雙支座獨柱墩。公路等級為高速公路（互通匝道），設計荷載為汽車-超20級。

6.2 方案比選

目前對在役獨柱墩梁橋抗傾覆加固改造常用的方法是增設蓋梁和增設墩柱。其中，采用增設蓋梁法加固對橋下的交通影響較小，但要求原墩柱的抗力性能高；增設墩柱法一般采用增設單墩或在獨柱墩兩側增設鋼管混凝土立柱進行加固。本文為工程實例設計了4個加固方案（見圖5），并從加固效果、施工條件及難點、質量控制及經濟性等多個方面進行了設計方案比選，結果如表2所示。

結合工程實際情況，綜合考慮各加固方案的可靠性、經濟性和工期等，最終確定選用方案一進行加固改造。

6.3 抗傾覆驗算原則

《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：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：

（1）特征狀態1：在荷載基本效應組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態，即支座反力始終＞0。

（2）特征狀態2：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，應符合式（1）的要求：

ΣSbk，iΣSsk，i≥Kqf（1）

式中：Kqf——橫橋向抗傾覆穩定性系數，取Kqf=2.5；

ΣSbk，i——抗傾覆作用相對扭轉軸的合力矩，即ΣSbk，i=ΣRGkili；

ΣSsk，i——傾覆作用相對扭轉軸的合力矩，即ΣSsk，i=ΣRQkili；

li——第i個脫空支座與有效支座的間距；

RGki——在永久作用下，第i個脫空支座橋墩處支座反力值；

RQki——在可變作用下，考慮汽車沖擊的荷載效應值的第i個橋墩失效支座反力值。

6.4 有限元分析計算

采用Midas Civil有限元軟件建立橋梁有限元分析模型（見圖6），根據施工過程及施工方案劃分施工階段對結構進行分析。

通過Midas Civil有限元軟件分析模型計算出支座反力，利用穩定系數法對橋梁進行抗傾覆驗算，驗算結果表明，采用增設蓋梁新增支座方式加固后，橋梁的抗傾覆性能滿足要求，如表3所示。

7 結語

本文從廣西G7211南友高速公路某互通獨柱墩匝道橋為例，對獨柱墩梁橋進行了分析，研究結果表明，支座脫空是橋梁發生傾覆前的重要特征狀態，橋面寬與支座橫向間距比值越小，橋梁的抗傾覆穩定性越高；穩定系數法是驗算橋梁抗傾覆性能的重要方法，計算前需確定其傾覆軸位置。對獨柱墩梁橋進行加固設計時，需遵守相關規范原則，從施工條件、安全性及經濟性等方面綜合比選，從而選出最佳的加固方案。

參考文獻

［1］萬世成，黃 僑.獨柱墩連續梁橋偏載下的抗傾覆穩定性研究綜述［J］.中外公路，2015，35（4）：156-161.

［2］陰存欣，秦大航，包琦瑋.基于抗扭失效的橋梁抗傾覆研究［C］.第六屆中國公路科技創新高層論壇，2013.

［3］JTG 3362-2018，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

［4］耿君君.連續梁橋的抗傾覆穩定性設計研究［J］.西部交通科技，2020（12）：143-145.

［5］曾燊平.獨柱墩箱梁橋抗傾覆影響因素分析及加固方法探討［D］.廣州：華南理工大學，2018.

收稿日期：2022-10-16