獨柱墩橋梁抗傾覆評估及加固設計探討

袁敏

（江西贛北公路勘察設計院，江西九江 332000）

0 引言

獨柱墩橋梁結(jié)構簡單、橋下凈空大、外形具有一定美觀性，在橋梁及立交匝道橋等建筑中應用較為廣泛，但該橋梁結(jié)構主要采用單支點支撐形式，在行車偏載的影響下其橫向抗傾覆能力無法有效保證；在偶然偏心荷載影響下，結(jié)構會突發(fā)整體橫向失穩(wěn)。在設計及施工過程中因受到資金、技術條件、工期等的限制，橋梁結(jié)構橫向抗傾覆能力也往往被忽視，十分不利于結(jié)構安全。同時，現(xiàn)行公路橋梁規(guī)范中有關橋梁結(jié)構橫向傾覆穩(wěn)定性的規(guī)定較為模糊，且如何加強獨柱墩橋梁支座脫空、橫向傾覆、側(cè)向位移等病害預防也無完善的研究成果。本文以某墩梁固結(jié)獨柱墩橋梁為例，在對其結(jié)構進行抗傾覆能力評估的基礎上，進行了結(jié)構安全性評價及加固設計探討，以期為獨柱墩橋梁設計、施工提供借鑒參考。

1 工程概況

某現(xiàn)澆預應力混凝土橋梁連續(xù)剛構箱梁上部結(jié)構按照6×30m+7×30m+6×30m設計，單箱雙室截面梁高1.6m，箱梁頂?shù)装鍖挿謩e為13.5m和8.0m。下部為獨柱墩過渡墩結(jié)構，1#、2#、17#、18#墩頂均設置支座，其余墩則為墩梁固結(jié)結(jié)構，考慮到橋墩高度及墩柱直徑，橋下凈空較大。墩底設置4根直徑1.2m的鉆孔灌注樁基礎。該橋梁建成后在長期運行過程中，先后出現(xiàn)匝道橋裂縫、結(jié)構變形及倒塌等病害，必須進行橋梁抗傾覆安全評估及加固設計，保證交通安全。

2 原結(jié)構驗算

2.1 驗算荷載選取

通過對該獨柱墩橋梁匝道橋病害事故的全面分析發(fā)現(xiàn)，在車輛通行過程中，橋梁常規(guī)設計荷載和極端不利荷載之間差異較大，橋梁倒塌時超重車輛最大重量達到146.81t，但常規(guī)驗算過程中，最大荷載中掛-120最大重量僅為120t；一座橋上只允許運行1輛掛車，但該匝道橋倒塌時同時運行的貨車有4輛，且其中3輛為超重狀態(tài)。在這種情況下，在進行獨柱墩橋梁抗傾覆評估及加固設計時，不能按照常規(guī)荷載進行驗算。本研究主要采用設計荷載標準，依據(jù)橋梁原來設計荷載等級，并選擇2輛汽-超20車隊，按照最不利工況進行滿布偏載布置，并針對該獨柱墩橋梁匝道橋進行復合驗算；在此基礎上，結(jié)合該獨柱墩橋梁匝道橋?qū)嶋H傾覆坍塌病害實際情況，選擇4輛荷載值均為165t的汽車編隊并采用特殊驗算荷載，進行獨柱墩主梁最不利偏載布置下抗傾覆安全性評估，以提升驗算結(jié)果的科學性與準確性。

2.2 驗算模型及結(jié)果

在進行該獨柱墩橋梁結(jié)構驗算時必須明確驗算對象，構建驗算模型。該橋梁結(jié)構驗算選擇中間7跨1聯(lián)7#～12#墩為驗算對象，并根據(jù)標準荷載進行復核性驗算?；诖耍x取特殊荷載進行原結(jié)構傾覆安全性驗算，并進行橋梁結(jié)構傾覆安全性評估。在抗傾覆驗算過程中，為充分考慮墩梁固結(jié)結(jié)構形式，必須根據(jù)承載能力極限狀態(tài)法進行墩柱選擇[1]。

由于偏心荷載作用的不同，造成汽-超20級偏心荷載作用及特殊驗算荷載作用兩種工況獨柱墩橋梁抗傾覆計算結(jié)果也不盡相同。為進行結(jié)構構件現(xiàn)場尺寸及竣工資料的復核，應用MidasCivil軟件構建計算模型[2]，分別進行不同驗算荷載下原結(jié)構抗傾覆穩(wěn)定性分析。在汽-超20級偏心荷載下獨柱墩偏心承載力計算結(jié)果詳見表1，根據(jù)計算結(jié)果可以看出，該獨柱墩橋梁匝道橋在設計標準荷載影響下，其承受壓力極限狀態(tài)偏心受壓構件結(jié)構承載力符合設計要求，傾覆可能性較小。

表1 汽-超20級偏心荷載下獨柱墩偏心承載力結(jié)果

特殊驗算荷載作用獨柱墩偏心承載力計算結(jié)果詳見表2，由驗算結(jié)果可知，在特殊驗算偏心荷載的作用下，該墩柱的橋梁匝道橋墩柱受力并不滿足極限承載力設計要求，墩柱及主梁必將發(fā)生彎壓、變形及傾覆破壞，必須進行預防性抗傾覆加固處治。

表2 特殊驗算荷載作用獨柱墩偏心承載力結(jié)果

3 加固設計

針對該獨柱墩橋梁所存在的傾覆隱患，為增強結(jié)構的安全性，可將獨柱結(jié)構調(diào)整為三柱結(jié)構，并將支撐柱增設于箱梁兩腹板周圍，起到分擔活載、增強主梁結(jié)構穩(wěn)定性的作用。此類加固方式能充分利用豎向支撐的約束作用，使全橋設計扭矩及上部結(jié)構自身扭矩破壞風險明顯降低；立柱橫向彎矩值以及獨柱墩橋梁偏心受壓破壞可能性均降低，獨柱墩抵御超載的作用大大提升；在橋梁上部結(jié)構扭矩值降低的過程中，原結(jié)構雙支座處出現(xiàn)負反力[3]，這說明支座脫空的可能性進一步降低。結(jié)合該橋梁結(jié)構梁端支座負反力較大及橫向抗傾覆系數(shù)較小等問題，提出以下幾種加固方案：

方案一：增設鋼管混凝土立柱。為降低原結(jié)構橋墩立柱承受的偏心受壓作用，保證結(jié)構橫向穩(wěn)定，應將鋼管混凝土立柱分別增設在7～10#橋墩原橫向立柱兩側(cè)。由于橋墩承臺尺寸較大，可直接將立柱結(jié)構設置在原承臺結(jié)構上，通過植筋的方式連接立柱柱腳和原承臺結(jié)構。鋼管混凝土立柱應采用壁厚13mm、直徑710mm的螺旋鋼管，并在鋼管內(nèi)部增設植筋，確保立柱與原承臺結(jié)構能夠有效連接，并在立柱頂部設置盆式橡膠支座?？紤]該獨柱墩橋梁立柱結(jié)構高度較高，增設H形橫向聯(lián)系鋼梁可增強橋梁下部結(jié)構整體穩(wěn)定性，為便于連接，還應將鋼箍加設在原混凝土立柱和鋼管混凝土立柱外側(cè)。

方案二：增設預應力蓋梁。為與原獨柱墩立柱直徑相匹配，應在立柱頂部增設130cm高、160cm厚的蓋梁，并采用直徑32mm的高強精軋螺紋粗鋼筋和后張預應力筋施工方式，確保新設蓋梁和原立柱結(jié)構緊密貼合。

方案三：增設抗拔約束裝置。傾覆軸不能改變時其抗傾覆系數(shù)也無法提高，支座反力必然過大，無法達到加固要求。當支座負反力在500kN以下時，可利用增設抗拔約束裝置的輔助加固方式。

方案四：加寬端橫梁，并將邊支座拉開至箱梁寬度后，原結(jié)構橫向抗傾覆系數(shù)取值為1.8，不符合設計加固要求，且支座反力較大，故該加固措施缺乏可行性。

從施工難易程度、交通及景觀影響、適用性、造價及經(jīng)濟性等方面進行以上方案的綜合比選，具體見表3。根據(jù)綜合比較結(jié)果，該獨柱墩橋梁匝道橋抗傾覆加固設計主要采用增設蓋梁+聯(lián)端增設抗拔約束裝置的加固措施，將蓋梁增設在獨柱墩墩頂，使獨柱墩單支承體系變?yōu)槎嘀С?，抗扭轉(zhuǎn)形變能力提升，達到抗傾覆加固目的；蓋梁由工廠化預制，現(xiàn)場拼裝，并通過高強錨固螺栓固定，在立柱和蓋梁結(jié)合面壓注環(huán)氧樹脂膠，保證整體連接。此外，還應在梁端增設抗拔拉桿，防止邊支座脫空后影響結(jié)構整體穩(wěn)定性。

表3 獨柱墩橋梁抗傾覆加固方案比較

4 結(jié)語

綜上所述，獨柱墩橋梁傾覆側(cè)翻事故較為常見，超載超限情況下獨柱墩橋梁結(jié)構的穩(wěn)定性問題日益突出，獨柱墩橋梁發(fā)生傾覆破壞后主要表現(xiàn)出支架脫空和梁體轉(zhuǎn)動兩大特征，必須針對支座反力和梁體轉(zhuǎn)角進行抗傾覆評估。獨柱墩橋梁匝道橋應用本文所提供方案進行抗傾覆加固治理后結(jié)構穩(wěn)定性顯著提升，同時也說明，在獨柱墩橋梁結(jié)構中增設蓋梁及聯(lián)端抗拔約束裝置是解決結(jié)構抗傾覆問題的有效措施。