一種獨柱墩高架橋的單側設樁加固裝置

陳修和, 董 閣

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司;公路交通節(jié)能與環(huán)保技術及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

由于具有減少占用土地、增加視野和橋型美觀的優(yōu)點，獨柱墩橋梁被廣泛應用于我國城市高架橋中。但獨柱墩橋梁的抗傾覆能力較差，在卡車超載情況下，容易誘發(fā)傾覆[1-5]，如圖1所示。

圖1 獨柱墩高架橋傾覆破壞示意圖

近年來發(fā)生的獨柱墩橋梁傾覆案例有：

(1)2009年7月15日，津晉高速公路港塘收費站800 m外匝道橋(屬于獨柱墩橋梁)上有5輛載重型車通過，這時候獨柱墩橋梁發(fā)生傾覆坍塌。

(2)2011年2月22日，在上虞縣道南春線春暉互通立交橋引匝道(屬于獨柱墩橋梁)4輛超重貨車靠邊行駛并連著上橋，導致橋面由于偏載加超重發(fā)生坍塌事故。

(3)2012年8月24日，哈爾濱市三環(huán)路高架橋洪湖路上橋匝道(屬于獨柱墩橋梁)處有4輛超載重型車輛(其總重為485 t)并行且靠獨柱墩橋梁的一邊行駛，屬嚴重超載再額外加上嚴重偏載，導致獨柱墩橋梁發(fā)生倒塌。

(4)2019年10月10日，無錫市境內312國道上跨錫港路高架橋，由于車輛偏載超載導致該段梁橋所受傾覆力矩大于抗傾覆力矩出現(xiàn)橋面?zhèn)确?，橋?輛小車被壓。

可見，隨著社會經濟發(fā)展,交通流量日益增大，特別是偶現(xiàn)超載嚴重的卡車違規(guī)上橋(有的超載高達200%以上)，導致獨柱墩高架橋存在較大的安全隱患。有必要對部分重點路段的既有獨柱墩高架橋進行提前加固，消除傾覆隱患，防止產生較大的經濟損失與人員傷亡。然而，由于獨柱墩所處位置的復雜性，某些獨柱墩兩側無足夠的空間進行加固，只能在一側進行加固。為此，本文來探討單側加固獨柱墩的方法。

1 單側設樁加固方法

本文介紹一種獨柱墩高架橋的單側設樁加固方法，如圖2與圖3所示，包括新建樁基、新建承臺、新建橋墩與鋼梁；新建承臺下方設置一根或多根新建樁基，新建承臺上設置一個或多個新建橋墩；新建樁基、新建承臺位于原樁基、原承臺的一側，且盡可能的遠離原樁基、原承臺；新建橋墩的頂面與橋面的一側底面相互接觸；鋼梁與新建橋墩、原橋墩的頂部相連且呈水平狀分布；鋼梁在與新建橋墩相對稱的另一側端部設置支點，支點的頂面與橋面的另一側底面相互接觸。

圖2 加裝加固裝置后的橋梁主視圖

圖3 加裝加固裝置后的橋梁三維結構示意圖

新建樁基、新建承臺位于原樁基、原承臺的一側，且盡可能地遠離原樁基、原承臺，一方面對原有基礎影響較小，另一方面增大了新建橋墩與原橋墩組合體系的剛度，具有較大的抗傾覆能力。新建橋墩與原橋墩距離越大，對阻止橋梁傾覆越有利，且有利于減小新建橋墩的尺寸。

圖4與圖5為獨柱墩高架橋加裝本文所提的防傾覆加固裝置后抵抗兩側偏載的示意圖。

為了避免橋面底部產生較大的應力集中，可在支點的頂面、新建橋墩的頂面設置面積較大的鋼板，鋼板上部再設置一定厚度的橡膠片，橡膠片的頂面與橋面底部直接接觸。

鋼梁與新建橋墩、原橋墩的頂部相連且呈水平狀分布。鋼梁把新建橋墩與原橋墩相連，增加了整體剛度。

當設置新建橋墩一側的橋面承受較大偏心荷載且具有傾覆趨勢時，新建橋墩與原橋墩共同支撐橋面，且新建橋墩與原橋墩均受到豎直向下的壓力，如圖4所示。此時鋼梁基本不發(fā)揮作用。

圖4 抵抗右側偏載示意圖

當設置新建橋墩的另一側橋面承受較大偏心荷載且具有傾覆趨勢時，鋼梁上的支點與原橋墩共同支撐橋面；支點受到的壓力通過鋼梁傳遞給原橋墩與新建橋墩，使原橋墩受到豎直向下的壓力，而新建橋墩受到豎直向上的拔力，如圖5所示。此時鋼梁類似以原橋墩為支點發(fā)生旋轉(類似杠桿原理)，有效阻止橋梁傾覆。

圖5 抵抗左側偏載示意圖

通常，新建橋墩的直徑大大小于原橋墩的直徑，新建樁基的直徑與長度也大大小于原樁基的直徑與長度。且新建橋墩與原橋墩距離越大，新建樁基與新建橋墩的尺寸越小。

鋼梁的具體構型、與橋墩的連接方式等，按現(xiàn)有公知技術能夠實現(xiàn)其所提功能，故其細節(jié)未在附圖中體現(xiàn)。鋼梁可包裹在原橋墩與新建橋墩的外圍并相互連接。

一般地，鋼梁與原橋墩設置成鉸接關系，鋼梁與新建橋墩設置成固接關系，這樣才能方便地使鋼梁以原橋墩為支點發(fā)生旋轉，類似杠桿原理使新建橋墩受到豎直向上的拔力(如圖5所示)。鋼梁應滿足極端偏心荷載作用下的應力傳遞而不發(fā)生屈曲與失效。

新建橋墩的頂面與橋面的一側底面相互接觸，但互不相連。支點的頂面與橋面的一側底面相互接觸，但互不相連。此處“互不相連”指無固結或鉸接連接，兩者僅相互接觸而已，本質上是相互分離的，不能傳遞拉力、水平剪力與彎矩，僅能傳遞壓力。故本文所提防傾覆加固裝置的施工對原橋面無影響，不需對原橋面進行額外特別處理。新建樁基、新建承臺與新建橋墩組成的系統(tǒng)，需能承擔橋面不同方位承受較大偏心荷載而產生的豎直向下的下壓力或豎直向上的上拔力而不發(fā)生失效。即新建橋墩既能承載極端偏心荷載誘發(fā)的豎直向下的下壓力，也能承擔極端偏心荷載誘發(fā)的豎直向上的上拔力。

可見，本技術所提防傾覆加固裝置雖然僅設置在既有橋墩的一側，但其能對橋梁兩個方向的傾覆均具有阻止效果。其顯著特征是，偏心荷載作用在新建橋墩一側時，新建橋墩受到豎直向下的壓力；當偏心荷載作用在與新建橋墩相反的另一側時，新建橋墩受到豎直向上的上拔力，該上拔力是通過鋼梁的荷載傳遞實現(xiàn)的。

新建橋墩與原橋墩距離越大，對阻止橋梁傾覆越有利，且有利于減小新建橋墩的尺寸。

本文所提的加固裝置適用于原橋墩一側具備場地施工新建橋墩的情況。如原橋墩的一側是綠化場地或非交通通道，則可施工新建橋墩。如原橋墩兩側無空地、均為交通通道，則無法施工本文所提的加固裝置?？梢姡筛鶕呒軜虻膶嶋H情況，選擇合適位置實施所提技術，通常也不是每個原橋墩都需進行加固。

2 結束語

本文提出了一種獨柱墩高架橋的防傾覆加固裝置，包括新建樁基、新建承臺、新建橋墩與鋼梁；新建承臺下方設置新建樁基，新建承臺上設置新建橋墩；新建橋墩的頂面與橋面的一側底面相互接觸；鋼梁與新建橋墩、原橋墩的頂部相連且呈水平狀分布；鋼梁在與新建橋墩相對稱的另一側端部設置支點，支點的頂面與橋面的另一側底面相互接觸。當設置新建橋墩一側的橋面具有傾覆趨勢時，新建橋墩與原橋墩共同支撐橋面且均受到豎直向下的壓力；當設置新建橋墩的另一側橋面具有傾覆趨勢時，鋼梁上的支點與原橋墩共同支撐橋面，原橋墩受到豎直向下的壓力，而新建橋墩受到豎直向上的拔力。本文所提的加固裝置對橋梁兩個方向的傾覆均具有阻止效果。