獨柱墩橋梁抗傾覆設計與加固方法研究

摘要 為了提升獨柱墩橋梁的加固設計水平，總結了獨柱墩橋梁的受力特點，依托某跨徑組合為（30+30+30）m的曲線型獨柱墩橋梁，利用有限元軟件Midas Civil分析了曲率半徑和支座間距對其抗傾覆穩定系數和支座反力的影響。同時對獨柱墩橋梁的加固方法進行比選，最終選擇了在橋墩頂部植入螺栓，安裝鋼蓋梁和支座的加固方式。

關鍵詞 獨柱墩；抗傾覆；受力特點；Midas/Civil軟件；加固方法

中圖分類號 U445.72 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0139-03

0 引言

早期公路工程在設計時，很多橋梁下部結構在設計時采用了獨柱墩。但重載或超載車輛的占比越來越大，導致獨柱墩橋梁抗傾覆安全富余度不足，出現支整體失穩傾覆，造成較大的經濟損失和人員傷亡。如何準確分析獨柱墩橋梁的穩定性、選擇經濟合理的加固方法，已經成為設計咨詢的關鍵問題。

國內外很多學者也通過現場監測、數值模擬手段研究獨柱墩橋梁的傾覆機理和加固方法，并取得了許多先進成果，比如，王偉[1]將某獨柱墩橋梁單支座支改為雙支座，并驗算了其加固后抗彎承載能力和橫向抗傾覆穩定性。胡祥森等[2]提出了獨柱墩橋梁的加固設計及驗算原則，從技術和經濟兩方面對比了多個加固方法。但是目前在加固獨柱墩時，對抗傾覆驗算并不重視，大多是參考類似項目的加固方法，使得設計方案的適用性較差。因此，基于獨柱墩橋梁的抗傾覆穩定性進一步研究其加固方法具有重要的價值。

1 獨柱墩橋梁的受力特點分析

根據平面線形不同，獨柱墩橋梁有直線型和曲線型兩類。直線型獨柱墩橋梁在自重、二期恒載等對稱荷載作用下（不考慮車輛荷載），一般不會傾覆，而曲線型獨柱墩橋梁的主梁是彎曲的，在各種荷載作用下均容易扭轉變形。該文主要針對曲線型獨柱墩橋梁的受力進行分析[3]：

1.1 彎－扭耦合作用

在不對稱荷載作用下，曲率半徑的存在會使曲線型獨柱墩橋梁內側和外側的豎向變形不均勻，主梁開始容易出現扭轉變形和撓曲變形，且兩者之間相互作用、相互耦合。一般情況下，橋梁跨徑越大、曲率半徑越小，主梁的彎扭耦合作用越明顯。

1.2 內、外側受力不均勻

由于曲線型獨柱墩橋梁的重心線和形心線不一致，在車輛荷載作用下主梁會產生扭轉變形，使得內側支座受力增加，呈受壓狀態，外側支座受力減小，呈受拉狀態。以某獨柱墩連續箱梁橋為例，外側支座處于臨界失穩狀態時的平衡方程可按式（1）計算[4]：

（1）

式中，μ——箱梁、橋墩和支座間的摩擦因子，無量綱；G—箱梁自重（kN）；α、β—分別為支座與橋頂夾角、箱梁底與支座頂夾角。

根據物理學中的“斜面自鎖”原理，如果μ＜tanα時，梁體沿傾覆軸線向外滑移。

1.3 橋墩偏心受壓

曲線型獨柱墩橋梁中的橋墩屬于受壓構件，長細比是影響其穩定性的重要因素。獨柱墩越高，截面面積越小，橋墩發生偏心受壓破壞的可能性越大。

1.4 徑向離心力

獨柱墩橋梁的徑向力一方面源于鋼束預應力和混凝土收縮徐變，另一方面源于汽車在橋梁行駛期間產生的離心力。徑向力的存在會加劇主梁扭轉變形，增大支座受力。

綜合分析獨柱墩橋梁受力特點，其傾覆破壞形式有主梁傾覆、橋墩偏壓、支座滑出等，根本原因都是偏載過大，造成主梁扭轉。

2 獨柱墩橋梁抗傾覆穩定性計算

2.1 工程概況

該文以某曲線型獨柱墩橋梁為依托工程。橋長90 m，跨徑組合為（30+30+30）m，曲率半徑為140 m，為單箱雙室的混凝土連續箱梁，梁高為2 m。橋梁橫斷面寬10.5 m，橫向布置：0.5 m防撞護欄+9.5 m行車道+0.5 m防撞。主梁兩端采用橫向雙支座，初步擬定的支座間距為3 m，沿結構中心線對稱布置，間距4.5 m，中墩采用單支座，如圖1所示。此外，橋面鋪裝為10 cm水泥混凝土+防水層+10 cm瀝青混凝土。

2.2 計算模型建立

假設主梁和橋墩材料的剛度和強度足夠大，不會在主梁傾覆前而破壞，故該文只利用Midas Civil軟件建立橋梁主梁模型。

2.2.1 模擬方法

獨柱墩橋梁混凝土選用8節點六面體單元，預應力鋼束選用2節點桁架單元，混凝土和鋼束間接觸、混凝土各澆筑層間的接觸選用共用節點的方法模擬，忽略接觸面之間的相對滑移。主梁和支座頂間選用剛性連接，支座內部為彈性連接。

2.2.2 荷載大小

橋梁模型計算同時考慮恒載和活載，其中恒載有結構自重（重度取25 kN/m3）、預應力、混凝土收縮徐變、鋪裝及護欄荷載，活載包括汽車荷載、溫度作用，具體取值見表1[5]：

2.3 抗傾覆穩定性計算結果

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）是采用“有效支座”的概念來計算抗傾覆穩定性系數，也就是說獨柱墩橋梁有多少處雙支座，就有多少個抗傾覆穩定系數。由于該橋是對稱結構，梁端雙支座計算出的抗傾覆穩定肯定是相同的。該文僅以1#墩支座為例，計算出其抗傾覆穩定系數為2.38，不滿足規范要求。

3 獨柱墩橋梁抗傾覆設計參數優化

3.1 曲率半徑優化

根據相關研究成果，曲率半徑并不是通過影響橋梁彎曲的程度來影響獨柱墩橋梁的抗傾覆穩定性，而是影響橫向力及橫向力繞z軸的扭矩。在其他參數不變的情況下，利用Midas Civil軟件計算了曲率半徑為100 m、200 m、300 m、400 m、500 m、600 m時，獨柱墩橋梁的1#墩支座反力和抗傾覆安全系數，計算結果見圖2。同時，利用Origin軟件中的二次多項式函數擬合了橋梁抗傾覆安全系數和曲率半徑的關系，相關系數接近1，滿足工程需求。利用擬合模型，可預測任意曲率半徑下橋梁的抗傾覆系數。

抗傾覆安全系數計算結果

由圖2（a）計算結果可知：隨著曲率半徑增大，1#墩外側支座反力不斷減小，1#墩內側支座反力不斷增加。當曲率半徑從100 m提高至600 m，1#墩外側支座反力由1 538 kN減小至1 303 kN，減少幅度約15.3%。1#墩內側支座反力由709 kN增加至1 092 kN，增大幅度約為35.1%。同時，在支座反力變化過程中，1#墩內側和外側的反力差值不斷減小，這表明獨柱墩橋梁曲率半徑越大，橋臺兩側支座的受力越均勻，產生支座脫空的可能性越小。

由圖2（b）可知：曲率半徑為100 m、200 m、300 m、400 m、500 m、600 m時，獨柱墩橋梁的抗傾覆安全系數分別為2.3、3.5、4.4、5.1、5.6、5.8。相對于曲率半徑為100 m的模型，安全系數增加幅度分別為52%、91%、121.7%、143.5%、152.2%。這表明獨柱墩橋梁的抗傾覆安全系數隨著曲率半徑的增大而增大，但變化速率是慢慢減小的。曲率半徑＜400 m時，橋梁的抗傾覆安全系數增長迅速；當曲率半徑≥400 m時，橋梁的抗傾覆安全系數變化不明顯。需注意獨柱墩橋梁在設計時不可為了增加抗傾覆穩定性而盲目提高曲率半徑，這樣會導致橋梁設計方案經濟效益差。

3.2 雙支座間距優化

支座位置也是影響獨柱墩橋梁抗傾覆穩定性的重要因素，利用Midas Civil軟件計算了曲率半徑為200 m時，雙支座間距為3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5.0 m時，獨柱墩橋梁的1#墩支座反力和抗傾覆安全系數，計算結果見圖3。同時，按上述方法擬合了橋梁抗傾覆安全系數和支座間距的關系。

抗傾覆安全系數計算結果

由圖3計算結果可知：隨著支座間距增大，1#墩外側支座反力不斷減小，1#墩內側支座反力不斷增加。但是支座間距的增大并不會改變支座的總反力總值，只是將支座內力重新分配。當支座間距從3.5 m增加至5 m，1#墩外側支座反力減少了103 kN，內側支座反力增加了183 kN。同時，獨柱墩橋梁的抗傾覆穩定系數隨著支座間距的增大而提高，且兩者之間基本呈線性正相關關系。支座間距每增加0.5 m，橋梁的抗傾覆穩定系數平均增加0.6。上述現象表明：支座間距越大，橋梁內外兩側的受力越均勻。在設計獨柱墩橋梁時，應在不超過橋梁底板寬前提下，盡可能地增加橋臺兩支座間距離。

4 獨柱墩橋梁抗傾覆加固方法

4.1 加固方案選擇

獨柱墩橋梁加固措施可從改變結構破壞模式、提高結構穩定性能和設置冗余約束三個方面考慮，但改變結構破壞模式影響立柱結構承載力，設置冗余約束的可靠性和耐久性難以保證，該文在保證結構支承體系不變的基礎上，提出多個將橋墩的單點支承改為多點支承的方案[6]。

方案1：采用植筋澆筑混凝土的方式增加大橋墩截面，并在墩頂處設置左右兩側外挑的牛腿，同時沿著橋墩中心線在牛腿上布置兩個支座，形成多點支承。

方案2：在橋墩頂部打孔植入螺栓，安裝鋼蓋梁，并在鋼蓋梁上沿橋墩中心線對稱布置支座，隨后在立柱上鑿毛、分段安裝鋼套筒注漿。需注意，鋼構件安裝結束后要及時防腐處理。

方案3：通過植筋接長上部箱梁的橫梁，在原來拼寬加固的墩柱墩頂打孔植入螺栓，安裝鋼蓋梁，并在鋼蓋梁頂左右增設一對支座。

方案4：在原獨柱墩兩側沿中心線新增兩個立柱和樁基，樁基施工結束后進行植筋，以接長上部箱梁橫梁。隨后，在兩側立柱頂部各設置一個支座。

4.2 加固效果評價

綜合考慮加固方案的技術性和經濟性，推薦將方案二用于該橋梁加固。隨后利用Midas Civil軟件計算了橋梁加固后抗傾覆安全系數為4.86，是原橋梁抗傾覆安全系數的2.04倍，說明加固方案合理可行。

5 結語

該文分析獨柱墩橋梁的受力特點、抗傾覆穩定性及其加固措施，主要得到以下幾個結論：①獨柱墩橋梁在荷載作用下會產生彎－扭耦合、內外側受力不均勻、橋墩偏心受壓等問題。②隨著曲率半徑和梁端支座間距的增加，獨柱墩橋梁的抗傾覆安全系數不斷增大。③曲率半徑越大、梁端支座間距越大，獨柱墩橋梁的受力越均勻，但支座間距并不會改變支座總反力，只是將支座內力重新分配。④選擇獨柱墩橋梁加固措施時應綜合考慮獨柱墩加固的施工難易、改造費用、交通影響等因素，并對加固效果進行驗算。

參考文獻

[1]王偉. 獨柱墩橋梁抗傾覆安全評價和加固設計探討[J]. 西部交通科技， 2022（12）： 136-138.

[2]胡祥森， 鄭可卿， 余茂峰. 某高速公路獨柱墩橋梁抗傾覆加固設計研究[J]. 工程建設與設計， 2022（15）： 91-95.

[3]何善晶， 邱欣濤. 直線單車道獨柱墩橋梁抗傾覆驗算及其加固方案設計[J]. 運輸經理世界， 2022（19）： 103-105.

[4]杜軍. 城市獨柱墩橋梁抗傾覆加固改造設計探討[J]. 城市道橋與防洪， 2022（3）： 69-73+13.

[5]趙雅. 承朝高速公路獨柱墩橋梁抗傾覆性驗算及加固設計[J]. 交通世界， 2021（22）： 14-16.

[6]蔡力. 獨柱墩橋梁抗傾覆設計與加固方法研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2020.