獨柱墩單支點橋傾覆分析及加固方法研究

劉 捷， 謝雪峰

（1．烏海市公路工程質(zhì)量鑒定站，內(nèi)蒙古 烏海 016000；2．天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300092）

城市道路的跨線橋、立交、高架中常使用獨柱式橋墩，以往設(shè)計中，比較重視結(jié)構(gòu)的承載能力，容易忽略偏心超載作用對橋梁安全的影響。我國車輛超限超載現(xiàn)象普遍存在，甚至有的超載高達(dá)200%～300%[1～2]。超載導(dǎo)致橋梁處于設(shè)計荷載工作狀態(tài)之外，其支撐體系可能發(fā)生改變。獨柱墩單支點橋梁屬于抗傾覆不利的支撐體系，超載下容易出現(xiàn)傾覆危險。

早期橋梁抗傾覆分析，一般假設(shè)梁體為剛體，進而分析其抗傾覆能力。在此假設(shè)下，選取支點斷面進行抗傾覆分析[3]。實際情況梁體與剛體假設(shè)不符，在未達(dá)到剛體扭轉(zhuǎn)荷載時，邊支座已經(jīng)脫空，其支撐體系發(fā)生改變。

施穎等[4]認(rèn)為：橋梁傾覆是支座逐個脫空的過程，以最外側(cè)未脫空支座的連線為傾覆軸，橋梁以此軸線發(fā)生傾覆。李攀等[2]認(rèn)為：獨柱墩匝道橋事故有兩種破壞機理，傾覆失穩(wěn)和支座失效；傾覆是結(jié)構(gòu)體系傾覆力矩大于抗傾覆力矩導(dǎo)致的失穩(wěn)狀態(tài)；支座失效則是扭矩是由兩端的雙支座承受，當(dāng)其中一個支座脫空時，另外支座的反力迅速增大，若支座承載力不足，則發(fā)生壓潰破壞，導(dǎo)致傾覆。杜磊[5]則以實際工程為例，考慮梁的彎扭效應(yīng)并比較了抗傾覆軸算法與空間有限元算法的差異，結(jié)果表明空間有限元算法計算結(jié)果更安全，與實際情況更貼合。相宏偉[6]則考慮彎扭效應(yīng)，分析了不同曲率半徑下橋梁的抗傾覆性能，結(jié)論是對于中墩采用獨柱單支座的橋梁，均應(yīng)重點考慮傾覆穩(wěn)定問題；此類支撐恒載較小的鋼箱梁、鋼-混凝土組合箱梁等結(jié)構(gòu)尤其需要重視抗傾覆問題。孫全勝等[7]認(rèn)為橋梁傾覆的過程開始于橋臺或連接墩支座脫空，與此同時結(jié)構(gòu)支撐體系及荷載分配發(fā)生改變，因此在車載下不應(yīng)發(fā)生支座脫空，得出曲線橋采用單支座支撐容易在橋臺處出現(xiàn)脫空的結(jié)論，因此建議采用雙支座支撐改善曲線橋梁受力。汪海濤[8]根據(jù)實際工程，建立Midas空間梁單元模型，分析了一座減隔布置單支點的匝道橋，結(jié)果表明在規(guī)范荷載下均未出現(xiàn)負(fù)反力，滿足抗傾覆性能要求，在1.3倍規(guī)范荷載下，各支座最小反力均出現(xiàn)負(fù)的拉力，結(jié)構(gòu)體系會隨之改變。

以上研究表明，橋梁的抗傾覆認(rèn)識逐步加深，已經(jīng)從剛體分析轉(zhuǎn)變?yōu)榭紤]彎扭的彈性體分析。

1 橋梁傾覆事故統(tǒng)計

2007年以來，內(nèi)蒙古、天津、浙江、黑龍江、廣東、江蘇等地相繼發(fā)生匝道橋梁體橫橋向傾覆失穩(wěn)垮塌的事故。見表1。

表1 2007年以來超載傾覆橋梁統(tǒng)計[1～3，8]

續(xù)表1

事故的直接原因均是嚴(yán)重超載，但事故橋梁均為相似的單支點支撐方式，因此研究提升橋梁抗傾覆能力的方法，對以后橋梁設(shè)計和現(xiàn)有橋梁管養(yǎng)具有積極的指導(dǎo)意義。

2 橋梁加固的主要方法

1）方案一：在獨柱墩橫橋向兩側(cè)增設(shè)墩柱。在原墩柱兩側(cè)各增設(shè)一根墩柱，新增墩柱通過植筋與原承臺連接，見圖1。此方法有可能需要增大既有承臺尺寸[1～2，5]。

圖1 增設(shè)墩柱加固法

新增墩柱材質(zhì)一般采用鋼管混凝土柱。需要注意的是，必須拆除原墩柱上的支座，在新增墩柱頂部增設(shè)支座，才能保證新支座起到作用。通過增加抗扭支承約束，理論上減小了全橋的活載扭矩設(shè)計值，降低了橋臺或連接墩位置出現(xiàn)負(fù)反力的可能性，提高了橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性。

2）方案二：增設(shè)混凝土蓋梁或鋼蓋梁。通過在原墩柱支撐端增設(shè)蓋梁，把獨柱單支座支撐體系改變?yōu)殡p支座支承體系，見圖2。新增蓋梁通過植筋或套箍的方式與原墩柱進行連接[1～2，5]。

新增混凝土蓋梁一般設(shè)置后張預(yù)應(yīng)力改善蓋梁受力狀態(tài)。新增鋼結(jié)構(gòu)蓋梁通過植栓和套箍的方式與原墩柱相連接。無論是新增混凝土蓋梁還是鋼筋鉤蓋梁，均需保證后加支座與原有支座協(xié)同受力，一般采用頂升法放置后設(shè)支座。適當(dāng)加大后設(shè)支座的承載力，撤去原支座，受力更加明確，抗傾覆性能提升更高。

3）方案三：在橫向增加墩柱尺寸，將單支座改為雙支座，見圖3。多用于原墩柱為矩形墩[5,9]。

圖3 墩柱加寬加固法

利用原有墩柱下部的承臺，將現(xiàn)有的墩柱加粗，主要加粗橫橋向。在加寬后墩柱的頂面，通過頂升撤去原有單支座，新設(shè)雙支座，改單支座支撐體系為雙支座抗扭支撐體系，提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1）橋梁傾覆事故的直接原因是超載，但從設(shè)計角度，可以改進設(shè)計、加大抗傾覆安全儲備、降低風(fēng)險，具有重要的現(xiàn)實意義。

2）抗傾覆分析需從彈性體角度出發(fā)，以扭心傾覆軸為依據(jù)進行分析，才能更接近實際情況，更具指導(dǎo)意義。

3）既有單支點橋梁加固設(shè)計方案3種方式需保證新增支座與既有支座協(xié)同受力，在具備條件的情況下，撤去原有支座對抗傾覆更為有利。