某城市獨柱墩橋梁抗傾覆加固設計研究

作者簡介：

周 晨（1984—），碩士，高級工程師，主要從事城市橋梁設計及加固工作。

摘要：文章結合獨柱墩橋梁加固工程的實際項目，提出相應的獨柱墩抗傾覆加固方式及施工過程中的質量控制要點，并對加固后的橋梁支座反力進行監測，驗證了理論分析和加固方案的可行性，為今后獨柱墩橋梁加固設計及施工提供技術參考。

關鍵詞：獨柱墩橋梁；抗傾覆驗算；加固設計

中圖分類號：U443.2 A 43 136 3

0 引言

在城市高架、立交匝道橋等橋梁工程建設中，獨柱墩連續梁橋憑借其自身的很多優勢，如占地面積小、能夠有效節約城市用地；橋下視野開闊，對橋下交通影響很小；下部結構工程量小、造價低；偏置獨柱墩可以改善曲線彎橋的受力情況、增加橋梁整體穩定性等，使其得到了廣泛應用。但獨柱墩橋梁傾覆事故時有發生，不僅造成了人員傷亡，還造成了巨大的經濟損失，給社會發展帶來了不利影響。分析事故原因可知，直接原因均是嚴重超載，且事故橋梁均為相似的單支點支撐方式。因此，對于橋梁橫向抗傾覆穩定性問題，尤其是針對獨柱墩橋梁抗傾覆性能的研究評估，顯得越來越緊迫［1-2］。

現行的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362-2018）中，對結構體系采用整體式箱形截面連續梁橋的傾覆破壞全過程明確了兩個逐漸遞進的特征狀態，并對抗傾覆穩定性能做出了明確的要求［3-4］。通過對原有獨柱墩橋梁進行抗傾覆分析評估，并根據評估結果采取相應的加固改造措施，使其能繼續使用，最大程度減小對城市已有交通的影響，不僅可以繼續使用原有橋梁，避免橋梁重建所需付出的巨大成本，提高城市已建橋梁運營期間的安全性能，消除安全隱患，也能保障城市交通的正常運行，保障人民群眾生命和財產安全，符合低碳、和諧社會發展的要求［5］。

1 工程概況

該城市跨線橋為雙幅橋面布置，平面位于直線段上，橫斷面布置為0.5 m（防撞護欄）+12.25 m（行車道）+0.75 m（防撞護欄）+0.5 m（中分帶）+0.75 m（防撞護欄）+12.25 m（行車道）+0.5 m（防撞護欄）=27.5 m（總寬）。兩幅橋均為三跨一聯，錯幅布置，跨徑布置為（26.2+28.5+24.6）m，單幅橋寬為13.5 m。主梁采用預應力混凝土連續箱梁，左右兩幅橋中墩共4個墩為獨柱單支座。原設計荷載為汽-超20，驗算荷載為掛-120。詳見圖1。

下部結構中墩采用矩形獨柱墩，單墩尺寸為2.0 m×1.8 m，承臺高2 m，平面尺寸為6.3 m×6.3 m，單個承臺下設4根直徑1.5 m鉆孔灌注樁。邊墩采用雙柱墩，單墩尺寸為1.8 m×1.5 m，支座間距為5.5 m，承臺高2 m，平面尺寸為8.4 m×5.3 m，單個承臺下設6根直徑為1.2 m的鉆孔灌注樁。見圖2。

根據現行橋梁設計規范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018），對橋梁結構進行兩類特征狀態驗算。恒載按橋梁結構實際取值，汽車荷載、離心力、溫度作用及基礎變位均按照《城市橋梁設計規范》（CJJ 11-2011）（2019年版）及《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）取用。驗算結果統計見表1。

根據表1驗算結果可知，該橋雖未出現支座脫空，但是左傾及右傾抗傾覆穩定系數均＜2.5，不滿足現行規范中關于結構抗傾覆穩定系數的相關規定，需要采取相應的加固改造措施以提高結構抗傾覆能力，保證橋梁結構在運營期間的安全性。

2 橋梁加固設計

2.1 設計原則

根據前述橋梁抗傾覆安全性計算結果及評估分析可知，對于已經投入使用的獨柱墩橋梁而言，增大支座間距或增加支座個數可以增強結構橫向抗傾覆能力，提高抗傾覆穩定系數［6］。但在實際實施時，由于獨柱墩尺寸的限制，若要增大支座間距或增加支座個數需要增加橋墩空間。同時，相較于增大原有支座間距，增加支座個數能在不需要改造原有結構支座位置的條件下，通過新增支座承擔上部活載的偏載作用，原有支座則主要承擔恒載。且對現狀橋梁的正常運營影響最小。在這一加固思路下，結合該橋的結構及環境特點，提出以下加固設計原則：

（1）提高獨柱墩橋梁抗傾覆性能，滿足規范要求。

（2）盡可能減小基礎的負荷，降低對下部結構的影響。

（3）新增支座僅發揮抗傾覆功能。

（4）加固改造方案適用于既有橋梁空間布局及橋下跨線的凈空要求。

（5）方案便于實施，對既有交叉口交通的干擾小。

2.2 設計方案

針對獨柱墩橋梁，增設支座的加固形式主要有以下幾種，見圖3和表2［7-8］：

（1）方案一，增設鋼蓋梁。在現狀單柱橋墩兩側增設鋼結構蓋梁并增設支座（橫梁寬度不足處需改造加寬橫梁）。

（2）方案二，增設鋼立柱。在現狀單柱橋墩兩側增設鋼管混凝土立柱并增設支座（橫梁寬度不足處還需加寬橫梁）。

（3）方案三，增設混凝土立柱。即將混凝土墩身往兩側加寬并增設支座（橫梁寬度不足處需加寬橫梁）。

本項目的跨線橋位于交通繁忙的道路交叉口，兩幅橋面采用單支座獨柱墩，均位于道路側分帶，緊鄰過街人行橫道線。本著兼顧美觀和諧的原則，推薦采用增加墩身截面尺寸，同時在現狀支座橫向兩側增設支座的改造方案。具體改造內容為：現狀墩身橫橋向進行兩側加寬，每側加寬80 cm，厚度不超過現狀橋墩的寬度，然后在兩側加寬部分墩身上各設置1個支座，原橋墩支座維持不動，加固完成后，墩身頂面共設有3個支座。其中，左幅61#墩墩頂兩側增設的支座采用大負荷智能測力支座，以便監測新增支座的受力情況。

在對原有橋梁進行加固改造后，按照現行規范對加固后橋梁抗傾覆穩定系數進行計算，結果見表3。

從表3驗算結果可知，采用增加支座個數的方案對原有橋梁結構進行加固改造后，結構的左傾穩定系數由原來的1.8增加至6.7，結構右傾穩定系數由原來的2.1增加至9.1，加固后均滿足現行規范穩定性系數≥2.5的要求。

3 施工過程中的技術要點

（1）在施工前，須復核橋梁上部梁體和下部墩臺各部分尺寸，確保立柱和鋼牛腿等后增構造能與現有結構密切貼合，局部間隙可采用壓力注膠等措施，確保與現狀墩身密貼，使加固結構能充分受力。

（2）加固方案中多處采用后置錨栓或植筋，施工前須充分做好調研，尤其注意橋梁梁體縱向預應力鋼束、主梁縱橫坡及橫梁預應力等相關尺寸和布置情況。采用鋼筋探測儀等儀器設備對既有結構的鋼筋和鋼束進行定位，避免鉆孔時受到損傷。鉆孔還應分批進行，以避免對原有墩柱截面削弱過大，影響結構安全。

（3）為了安裝新增支座，需對梁體進行頂升。在頂升過程中須對主梁變形和裂縫等進行監控。在進行頂升前，應制定詳細的頂升施工方案，保證新增支座安裝頂緊，不脫空。

（4）在支座安裝時，應施加預壓力，以確保新增支座能夠有效工作，承擔汽車活載的偏載反力，同時延長支座的使用壽命。

4 支座反力監測

本次加固增設的支座采用大負荷智能測力支座，上部支反力可通過布設的智能測力支座獲取。同時，結合物聯網技術，對增設的支座進行自動、實時監測。這不僅能夠實時獲取支座反力的變化情況，還能夠了解橋梁運營狀況，特別是偏載情況下新增支座的受力情況與發揮的效用，以檢驗橋梁抗傾覆的加固效果（見圖4）。

通過智能支座的設置，能夠對獨柱墩加固后的新增支座反力實現24 h在線監測，實時感知橋梁重車通行和偏載狀況。通過長時間的支反力監測及分析，可以得出以下結論：

（1）因橋面汽車荷載大小及作用位置不斷變化，新增支座反力隨之實時變化。由于設置了預壓力，新增支座始終處于受壓狀態，初始預壓力取支座承載力的10%為宜。

（2）在橋梁運營過程中，新增支座反力始終在初始預壓力某一范圍內變化，反力沒有持續增加，基本實現了新增支座抗傾覆的功能。

（3）在本次加固施工完成后的最初一段時間內，因增設立柱混凝土的收縮徐變影響，新增支座反力值持續減小，應針對增設混凝土立柱的加固，需加強日常養護及觀測，及時對脫空支座進行調整。

（4）可根據設計荷載，為智能支座監測系統設置一閾值即報警值。當橋面活載偏載達到對應的荷載效應時即觸發報警，為獨柱墩橋梁安全運行保駕護航。

5 結語

通過對實際工程的獨柱墩橋梁抗傾覆加固三種設計方案的比選，在實際改造施工時引入了智能支座物聯網技術，并取得了較為理想的效果。通過對新增支座的反力觀測可知：對于單支座布置的獨柱墩橋梁而言，三種加固設計方案通過增加支座個數能夠有效提高結構抗傾覆性能。橋梁加固后增加了橫向的支座個數，其恒載主要由原有支座承擔，而新增支座則主要承擔汽車活載的偏載反力。

此外，新增支座在反向偏載作用下反力會減小，并且考慮到溫度作用的影響，支座安裝時應施加預壓力，以支座承載力的10%為宜，確保新增支座能夠有效工作。

對于新增支座可以采用智能測力支座，在新增支座內部安裝壓力傳感器，一方面能夠對獨柱墩加固后的支座反力實現24 h不間斷監控，實時感知橋梁重車通行和偏載狀況，掌握獨柱墩橋梁抗傾覆狀態，還能顯著提高橋梁健康監測的技術水平，對于推動橋梁抗傾覆安全實時監測與預警處置的實現具有重要意義。

參考文獻

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收稿日期：2022-09-20