獨柱墩橋梁抗傾覆安全分析及加固設計技術研究

汪芳芳，徐祖恩，嚴偉飛

(1.浙江交通職業(yè)技術學院，杭州 311112；2.浙江省交通規(guī)劃設計研究院，杭州 310006)

獨柱墩橋梁抗傾覆安全分析及加固設計技術研究

汪芳芳1，徐祖恩2，嚴偉飛2

(1.浙江交通職業(yè)技術學院，杭州 311112；2.浙江省交通規(guī)劃設計研究院，杭州 310006)

近幾年，獨柱墩橋梁越來越多應用于高速公路匝道橋梁和市政立交橋梁，在車輛超載和偏載的不利工況下，獨柱墩橋梁發(fā)生傾覆倒塌的事故時有發(fā)生。在調研浙江省內大量具體工程的基礎上，對獨柱墩橋梁的結構受力特點進行分析，并根據(jù)受力特點和病害情況提出幾種有針對性的加固設計方案，可供同類橋梁設計和加固維修參考。

獨柱墩橋梁；傾覆倒塌；加固方案

0 引 言

當前，我國大量已建的高速公路匝道橋、城市立交由于曲線半徑小，常規(guī)的預制結構橋梁適應性較差，因此類似曲線橋梁較多采用預應力混凝土或普通鋼筋混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱考慮，為增加下部結構通透性，減少“柱林”的視覺效果，力求橋下視野更開闊和橋型更美觀，同時為減少下部橋墩占用土地，在設計過程中，頻繁采用獨柱墩結構。由于公路在運營過程中車輛超載情況較為普遍以及設計計算對彎梁橋結構特性研究不透，在車輛超載和偏載等不利工況下，使得該種結構形式的橋梁在運營過程中發(fā)生支座脫空、主梁滑移等病害情況，甚至引發(fā)橋梁傾覆失穩(wěn)的安全事故。2011年2月21日凌晨，浙江省上虞市境內的春暉立交橋的獨柱墩引橋發(fā)生坍塌，坍塌總長度 120米，最高落差7米，事故造成橋上4輛貨車側翻，3人輕微傷，見圖1。

圖1 浙江上虞春暉立交橋事故照片

1 獨柱墩橋梁病害及原因分析

獨柱墩橋梁病害主要表現(xiàn)為：①支座脫空或剪切破壞；②主梁徑向位移引起的伸縮縫破壞；③主梁的外側滑移和側傾。縱觀國內這些年獨柱墩橋梁發(fā)生的傾覆倒塌事故，我們不難發(fā)現(xiàn)，這些事故橋梁都有如下兩個相似之處：事故橋梁的平面線型都比較平直，位于直線段、緩和曲線或大半徑的圓曲線上；事故橋梁的中間墩都發(fā)生了不同程度的破壞。

根據(jù)獨柱墩橋梁的結構受力特點和現(xiàn)場事故實地照片及破壞型式分析，發(fā)生獨柱墩傾覆倒塌的主要原因如下：

(1)對于多跨獨柱墩現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，中支點為單支座的多個獨柱墩，箱梁端部為雙支座，在車輛超載和偏載的共同作用下，主梁產生很大的橫向扭矩，由于獨柱墩自身抗扭極弱，隨著主梁扭矩的進一步加大，獨柱墩墩柱所受的橫向彎矩和水平剪力急劇增大，當超過獨柱墩墩柱自身承載能力時，產生破壞，導致主梁傾覆。

(2)現(xiàn)行設計中，獨柱墩多用于匝道彎梁橋，由于彎梁橋自身“外梁加載、內梁卸載”的特性以及在預應力荷載和溫度荷載作用下，使得箱梁扭矩分布極為不均，往往由于伸縮縫處梁端扭矩極大造成內外側支座反力極為不均，甚至在恒載作用下已出現(xiàn)負反力，在偏心荷載作用下，更加劇了內側支座脫空等情況的產生。若內側支座脫空，則導致主梁支承體系發(fā)生變化，且中支點為點鉸支承，隨著偏心荷載的進一步增加，結構變?yōu)閹缀慰勺凅w系，結構自身無法達到自平衡狀態(tài)，從而發(fā)生主梁傾覆。

(3)對于墩梁固結的獨柱墩橋梁，通過主梁橫梁傳遞，墩柱能承受一部分主梁扭矩，對主梁的橫向扭轉變形有一定的約束作用，而設計時往往忽視了該部分作用，特別是墩柱較矮的獨柱墩，由于剛度較大分配到的扭矩相應增加，在偏心荷載或車輛超載以及溫度力的共同作用下，截面配筋往往不能滿足結構受力要求，產生裂縫，橋梁的耐久性和安全性降低，在極端不利工況下，墩柱易產生塑性破壞，導致主梁倒塌。

2 獨柱墩加固設計方案研究

2.1 加固設計思路

本著安全第一，對結構外觀改變小，影響交通時間短、經(jīng)濟合理、施工簡便的原則，根據(jù)前述獨柱墩發(fā)生傾覆事故的原因分析，獨柱墩加固設計方案主要設計思路為：

(1)針對中支點獨柱墩單點鉸支座不能提供有效主梁抗傾覆力矩的缺陷，通過加固措施，改善主梁扭矩分布和提高主梁橫向穩(wěn)定性。

(2)針對在超載和偏載工況下箱梁端部曲線內側支座脫空的病害，通過施加主動或被動措施，如端橫梁接長加大支座間距、在支座易脫空側設置拉桿、上部結構單側壓重、更換或增加抗拉支座等方法，可有效解決支座脫空引起主梁支承體系發(fā)生變化的問題。

(3)針對獨柱墩彎梁橋在溫度力、偏心荷載作用下，易發(fā)生“橫向爬移”的結構特性，通過在獨柱墩墩頂設置限位裝置，可有效限制梁體往外扭轉及爬移。

2.2 中間獨柱墩單點支撐改雙(多)點支撐方案

獨柱墩單點支承改雙(多)點支承加固方案主要是采用墩柱加寬或增設墩柱、蓋梁的方式進行加固，由原先的單點鉸支座調整為雙(多)支座，增設的支座建議采用拉壓支座。該種加固方案施工作業(yè)面均在橋梁的下部空間，對橋面交通基本無影響；且對原橋墩外觀改造較少，美觀上基本沒有影響。

針對具體的橋墩型式和實地條件，該種加固方案主要有以下幾種方式：

(1)獨柱墩墩身拼寬，該種加固方式主要適用于矩形墩身、單排樁基礎結合承臺的下部結構型式，通過在原有墩柱兩側植筋，使得新老砼形成整體，墩頂橫向加寬，具備增設支座的條件，如圖2(a)所示。

(2)獨柱墩雙側或單側新增樁柱，該種加固方式主要適用于樁柱式墩，如圖2(b)所示，為滿足樁基間距要求或箱梁底寬較窄，往往該種加固方案箱梁橫梁需接長，橫梁接長可采用箱梁梁體植筋再澆筑接長段砼，但該種方式需短時封閉交通，否則由于橋面行車引起的振動不利于新澆砼初凝，新老砼結合面易產生裂縫。為避免上述問題，可采用鋼橫梁接長的方式，如圖2(e)所示，該方法施工安裝方便迅速，無需封閉交通。

(3)獨柱墩墩頂增設蓋梁，該種加固方式主要適用于樁柱式墩，且本身獨柱墩有足夠的剛度，能滿足最不利工況下墩身承載力要求，或者上部主梁橋面較窄的情況。通過在墩柱頂對穿鋼筋或在蓋梁頂設橫向預應力，澆筑新增蓋梁砼，實現(xiàn)由單支座調整為雙(多)支座，如圖2(c)和圖2(f)所示。

圖2 單點支承改雙(多)支座加固示意圖

2.3 端橫梁接長，在原支座外側增設拉壓支座方案

該加固方案通過在橋臺處(或者過渡墩處)上部結構箱梁端橫梁橫橋向引出接長，增設拉壓支座。新增設支座通過適當拉大間距設置，從而提高梁端梁體抗扭能力。該加固方案能有效改善活載作用下梁體受力，改善兩側支座受力狀態(tài)，當梁體扭轉或出現(xiàn)較大變位，新增設支座能發(fā)揮支撐作用，同時在接長的端橫梁外側設置限位擋塊，能有效限制梁體往外扭轉及向外側爬移，從而保證行車的安全，如圖3所示。

圖3 伸縮縫處橫梁接長方案示意圖

2.4 上部結構壓重處理方案

該種加固方案通過壓重的方式消除設計工況下彎梁橋內側可能出現(xiàn)的較小的負反力，使內側支座在設計工況下不脫空，但不能解決嚴重超載下的橋梁穩(wěn)定問題。壓重方式可選用在曲線內側護欄外包混凝土，端橫梁拼寬，也可在箱梁內堆載壓重，見圖4。采用在曲線內側護欄外包混凝土或者端橫梁拼寬的方式，新舊混凝土粘結可采用環(huán)氧砂漿和植筋。該方案施工較簡單，并且基本不會影響橋梁外觀。采用在箱梁內堆載壓重的方式，由于已建橋梁箱內壓重需要開孔，且獨柱墩曲線梁橋一般跨徑不大、梁高不高，不方便施工，所以不建議采用。

圖4 上部結構壓重處理方案示意圖

2.5 聯(lián)端處上下部結構之間設置拉桿方案

在聯(lián)端處上下部結構之間設置拉桿主要有兩種方式，即常規(guī)的被動拉桿(如圖5(a)、(b))和主動施加預應力的拉桿(如圖5(c))，通過設置拉桿，在活載偏載作用下限制梁體往外扭轉、內側支座脫空。但不能解決梁體側向滑動的問題，建議結合獨柱墩頂設限位裝置的加固方案一起使用。

(1)被動拉桿：在梁體及橋臺臺帽(過渡墩蓋梁)上設置鋼構件作為承力構件,恒載狀況下不承受拉力，僅在活載作用下起到限制梁體往外扭轉、內側支座脫空的作用。該方案構造簡單，施工便利，且加固施工過程中基本不影響橋梁的正常營運。但該方案對橋梁在溫度力、活載作用下的伸縮變形有一定的約束作用，建議在箱梁處留一定空隙可以自由滑動，以適應橋梁在溫度變化引起的或者汽車荷載作用下的縱向變位。

(2)預應力拉桿：在梁體及橋臺臺帽(過渡墩蓋梁)上設置鋼構件作為承力構件，梁體承力構件及橋梁橋臺臺帽(過渡墩蓋梁)采用預應力鋼拉桿拉緊。鋼拉桿可采用40CrNiMoA特殊鋼材。加固可根據(jù)計算最大負反力設計拉桿預拉力，并保證由于通車后活載及溫度等效應引起的拉力增量有較大的富余，同時也避免高應力狀態(tài)下的鋼材疲勞問題。該方案通過主動施加一定的拉緊力，可改善恒載及預應力下梁體的受力狀態(tài)，使得各個工況下均不會出現(xiàn)負反力，能有效限制梁體往外扭轉，從而保證行車的安全。但采用預應力拉桿后要確保梁體的縱向自由滑動。施工時需臨時封閉交通在箱梁頂板開槽口以安裝拉桿，并保證局部受壓及抗剪的安全性。

圖5 聯(lián)端處上下部結構間設置拉桿方案示意圖

2.6 設置抗拉支座方案

該方案采用更換拉壓支座來承受最不利工況下支座的上拔力。更換拉壓支座時需用千斤頂將支座處梁體頂高，脫出原支座，施工較為復雜，同時由于原抗壓支座安裝時，植入螺栓套筒與墩臺帽之間一般僅采用普通砂漿灌漿，而抗拔支座必須采用環(huán)氧砂漿灌漿以保證粘結力，因此僅更換拉力支座、不更換支座錨桿并不能有效發(fā)揮其抗拔能力。

因此對于在建或未建橋梁，在支座未安裝時，可考慮直接更換拉壓支座。該加固方案適合于獨柱墩單支座改為雙(多)支座方案以及端橫梁接長方案一起配合使用。

2.7 獨柱墩處設置限位裝置方案

在獨柱墩處設置限位裝置方案可與設置拉桿方案結合使用(見圖6)，以有效限制梁體往外扭轉及爬移。

限位裝置在箱梁底部及獨柱墩設置鋼構件，鋼板采用錨固鋼筋與箱梁底部可靠連接，在獨柱墩上設地腳螺栓與鋼板箍固定。限位裝置中所有鋼材均應采用鍍鋅材料，以免銹蝕。

圖6 獨柱墩處限位裝置示意圖

3 獨柱墩加固方案綜合比選

以下從施工特點、難易程度以及對現(xiàn)行交通的影響和使用效果等方面對各加固方案進行綜合比選，具體如表1所示。

表1 獨柱墩加固方案綜合比選表

綜合上表所述，結合目前我省已實施的獨柱墩加固方案，獨柱墩單支座改雙(多)支座以及端橫梁接長增設拉壓支座方案加固效果明顯，且施工較為簡單、對現(xiàn)行交通的影響較小，其他加固方案可結合橋梁實際受力及運營情況作為輔助加固手段配合使用。

4 結 語

隨著近十幾年我國交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，獨柱墩橋梁廣泛應用于各類市政和互通區(qū)匝道橋梁，由于前期設計對當前汽車超載、交通流量迅猛增長等客觀因素預估不足，且對該類橋梁橫向傾覆穩(wěn)定性認識不足，使得該類獨柱墩橋梁在超載和偏載等最不利工況下存在橫向傾覆失穩(wěn)的風險，建議現(xiàn)階段相關職能和管理部門應盡早落實對該類橋梁進行系統(tǒng)的排查和結構驗算，及時進行加固，防患于未然。同時應進一步完善和修改現(xiàn)行規(guī)范，對類似橋梁的結構計算、構造措施及使用要求提出明確的規(guī)定。

針對新建橋梁，應謹慎使用獨柱墩，若受外界條件制約，必須使用獨柱墩時，應根據(jù)每座橋的實際情況，充分重視結構支承體系的布置以及在恒載、預應力和溫度力作用下主梁的扭矩分布和在偏心荷載作用下的主梁橫向抗傾覆驗算，必要時應采取相應措施，確保橋梁結構安全、可靠。

[1]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規(guī)范[S]．

[2]JTG D62-2004, 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S]．

[3]姚玲森．橋梁工程[M]．北京：人民交通出版社，2008．

[4]邵容光．混凝土彎梁橋[M]．北京：人民交通出版社，1996．

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[6]楊黨旗,崔飛．獨墩單鉸支座曲線梁橋通病分析及治理[J]．城市道橋與防洪,2003,(3):35-38.

[7]李盼到，張京，王美．獨柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性驗算方法研究[J]．世界橋梁，2012,40(6):52-56.

[8]林曉娟．獨柱墩橋梁常見問題及原因分析[J]．工程與建設,2013,27(2):198-200.

Safety Analysis of Toppling Prevention of Single-pier Bridges and Reinforcement Design Technology

WANG Fang-fang1，XU Zu-en2,YAN Wei-fei2

(1.Zhejiang Institute of Communications, Hangzhou 311112,China； 2.Zhejiang Provincial Plan Design & Research Institute of Communications, Hangzhou 310006,China)

In recent years, more and more bridges supported by single-column piers were applied to the ramp’s bridges of expressway and municipal flyovers. Under the bad working condition of the vehicle overloading and partial load, the bridges supported by single-column piers usually collapsed or capsized. Based on the investigation of a lot of engineering in Zhejiang province, the structure characteristics of the bridges supported by single-column piers are analyzed. According to the mechanical characteristics and the typical disease analysis，several targeted reinforcement scheme is put forward, which can provide references for the bridge of the same type.

single-pier bridge；collapse or capsize；reinforcement scheme

2014-10-23

浙江交通職業(yè)技術學院科技計劃項目(2013YK02)

汪芳芳(1978-)，女，安徽東至人，高級工程師，碩士，E-mail：wangff@zjvtit.edu.cn。

U445.72

A ?

10.3969/j.issn.1671-234X.2014.04.003

1671-234X(2014)04-0013-06