獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆研究

李懷明

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

一段時(shí)期以來(lái)，由于橋下視野通透性好、橋梁外形輕巧美觀、經(jīng)濟(jì)節(jié)約的優(yōu)點(diǎn)，獨(dú)柱墩成為了城市高架橋、互通匝道橋以及跨線橋下部構(gòu)造的主要型式。近些年來(lái)，在多列超載車輛偏載行駛時(shí)，部分獨(dú)柱墩橋梁在毫無(wú)征兆的情況下，橋梁上部發(fā)生整體橫向失穩(wěn)，造成了嚴(yán)重的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)獨(dú)柱墩橫向穩(wěn)定性驗(yàn)算的具體規(guī)定，計(jì)算分析了兩座典型獨(dú)柱墩現(xiàn)澆箱梁橋，提出穩(wěn)定性驗(yàn)算思路，并對(duì)存在安全隱患的結(jié)構(gòu)提出針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，使其滿足規(guī)范規(guī)定。希望能夠?qū)M向穩(wěn)定性較差的獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)加固及設(shè)計(jì)提供可靠建議。

1 工程概況

梳理了近期已建公路橋梁結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算分析了兩座典型獨(dú)柱墩橋梁。

案例1 為某互通匝道橋，橋?qū)?.75m。第一聯(lián)橋平面位于直線段上，左右幅跨徑布置均為5×20m。

0# 橋臺(tái)處設(shè)置兩根D120cm 圓形立柱，中心間距314cm，如圖1C-C 斷面。橋墩方面，1#～4#橋墩處均設(shè)置一根D120cm 圓形立柱，如圖1A-A 斷面；5#橋墩處均設(shè)置兩根D100cm 圓形立柱，中心間距314cm，如圖1B-B斷面。

案例2 為某主線跨線橋，橋面寬度為12m，結(jié)構(gòu)布跨為（30+40+30+25）m。

圖1

圖2

0#和4#橋臺(tái)處設(shè)置兩根D150cm 圓形立柱，橫向中心間距550cm，縱向中心距離為450cm，如圖2C-C 斷面。橋墩方面，1#橋墩設(shè)置一根D200cm 圓形立柱，如圖2AA 斷面；2#～3#橋墩處均設(shè)置兩根D160cm 圓形立柱，中心間距550cm，如圖2B-B 斷面。

表1 標(biāo)準(zhǔn)荷載驗(yàn)算表

表2 考慮特殊荷載驗(yàn)算表

2 橫向抗傾覆驗(yàn)算內(nèi)容

（1）按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的荷載標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)定性驗(yàn)算相關(guān)條文規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)必須滿足相關(guān)規(guī)范要求。

a.穩(wěn)定系數(shù)是否小于2.5；b.支反力是否出現(xiàn)拉力。

備注：應(yīng)考慮溫度、支座沉降等因素影響；綜合考慮該簡(jiǎn)化分析方法的偏差系數(shù)和實(shí)際車輛密集排布情況下汽車荷載效應(yīng)的放大系數(shù)，確定橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為2.50，而并不代表車輛可以超載2.5 倍標(biāo)準(zhǔn)車輛。

（2）考慮到非高速公路交通量大、重車比例大、超載嚴(yán)重的因素，建議按照極端條件進(jìn)行布載后，控制橋梁的支座壓力、抗傾覆安全系數(shù)、支座轉(zhuǎn)角及固結(jié)橋墩受力驗(yàn)算（特殊荷載驗(yàn)算）。

a.在作用基本組合下，非受拉支座應(yīng)始終保持受壓狀態(tài)。當(dāng)車道荷載分項(xiàng)系數(shù)采用3.4 時(shí)（下同），非受拉支座宜始終為受壓狀態(tài)；b.當(dāng)只采用非受拉支座時(shí)，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)不小于5；c.在作用基本組合下，支座轉(zhuǎn)角應(yīng)小于0.02rad。

3 驗(yàn)算結(jié)果及原因分析

3.1 驗(yàn)算結(jié)果

按規(guī)范荷載驗(yàn)算，案例1 橋梁結(jié)果見(jiàn)表1。

按特殊荷載標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)算，案例1 橋梁結(jié)果見(jiàn)表2。

按規(guī)范荷載驗(yàn)算，案例2 橋梁結(jié)果見(jiàn)表3。

按特殊荷載標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)算，案例2 橋梁結(jié)果見(jiàn)表4。

（1）按規(guī)范荷載驗(yàn)算結(jié)果如下所示：

a.特征狀態(tài)1 驗(yàn)算中，案例1 橋梁0#墩和5# 墩支座出現(xiàn)拉力，不滿足規(guī)范；案例2 橋梁沒(méi)有支座出現(xiàn)拉力，滿足規(guī)范。b.特征狀態(tài)2 驗(yàn)算中，案例1 橋梁穩(wěn)定系數(shù)為1.36，不滿足規(guī)范要求；案例2 橋梁穩(wěn)定系數(shù)大于2.5，滿足規(guī)范。

（2）按特殊荷載驗(yàn)算結(jié)果如下所示：

a.特征狀態(tài)1 驗(yàn)算中，案例1 橋梁0#墩和5#墩支座出現(xiàn)拉力，不滿足規(guī)范；案例2 橋梁0#墩出現(xiàn)拉力，不滿足規(guī)范。b.特征狀態(tài)2 驗(yàn)算中，案例1 橋梁穩(wěn)定系數(shù)小于5，不滿足規(guī)范；案例2 橋梁穩(wěn)定系數(shù)大于5，滿足規(guī)范。

表3 標(biāo)準(zhǔn)荷載驗(yàn)算表

表4 考慮特殊荷載驗(yàn)算表

3.2 原因分析

（1）案例1 橋梁上部為現(xiàn)澆箱梁，過(guò)渡墩為雙柱墩雙支座，支座間距為3.14m，連續(xù)墩均為單支座獨(dú)柱墩。在抗傾覆計(jì)算中，僅邊墩支座能夠提供扭矩，故邊支座較易出現(xiàn)拉力、抗傾覆系數(shù)較小，按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)算下，抗傾覆計(jì)算不滿足規(guī)范要求。（2）案例2 橋梁上部為現(xiàn)澆箱梁，僅1 號(hào)橋墩為獨(dú)柱墩，其他橋墩均為雙支座雙柱墩，支座間距為5.5m。在計(jì)算中，僅1 號(hào)橋墩無(wú)法提供抗傾覆扭矩，其他橋墩支座均為抗扭支座，橋墩支座相對(duì)不易出現(xiàn)拉力且橋梁抗傾覆系數(shù)相對(duì)較大，故按規(guī)范荷載要求驗(yàn)算下，抗傾覆計(jì)算能滿足規(guī)范要求，但是靠近獨(dú)柱墩位置支座壓力及穩(wěn)定性系數(shù)較小。由于橋臺(tái)支座恒載作用下支座反力較小，在特殊荷載作用下，橋臺(tái)支座出現(xiàn)了拉力，不滿足特殊荷載狀態(tài)1 要求。

4 建議

對(duì)不滿足現(xiàn)行規(guī)范橋梁傾覆穩(wěn)定性系數(shù)的獨(dú)柱墩橋梁，結(jié)合既有橋梁下部結(jié)構(gòu)方案，建議采用以下幾種方法：

（1）方案1：穩(wěn)定系數(shù)不滿足要求的結(jié)構(gòu)基本采用雙樁+承臺(tái)的獨(dú)柱墩結(jié)構(gòu)，可在承臺(tái)上植筋，橋墩兩側(cè)設(shè)置鋼管混凝土對(duì)箱梁進(jìn)行支撐，將獨(dú)柱墩調(diào)整為3 柱墩，正常使用時(shí)獨(dú)柱墩承受荷載，發(fā)生可能引起傾覆的荷載時(shí)鋼管混凝土墩柱參與受力，避免橋梁發(fā)生傾覆。

圖3 增設(shè)鋼管混凝土墩柱（方案1）

圖4 增設(shè)蓋梁（方案2）

該方案優(yōu)點(diǎn)是施工便捷，造價(jià)經(jīng)濟(jì)；結(jié)合原設(shè)計(jì)獨(dú)柱墩頂箱梁配筋模式情況下，該方式對(duì)上部結(jié)構(gòu)受力影響小。缺點(diǎn)是橋梁景觀較差。

（2）方案2：將獨(dú)柱墩改為獨(dú)柱加蓋梁形式，蓋梁上布設(shè)兩個(gè)防傾覆支座，正常使用時(shí)獨(dú)柱墩承受荷載，發(fā)生可能引起傾覆的荷載時(shí)鋼蓋梁支座對(duì)箱梁進(jìn)行支撐。但應(yīng)對(duì)此類獨(dú)柱橋墩進(jìn)行驗(yàn)算。

該方案優(yōu)點(diǎn)是橋下景觀較好，結(jié)合上部箱梁橫梁配筋形式，未改變墩柱墩頂受力性能。缺點(diǎn)是施工較復(fù)雜。

（3）方案3：在橋墩外側(cè)植筋改造為矩形墩。

圖5 外側(cè)包裹鋼筋混凝土（方案3）

該方案優(yōu)點(diǎn)是建成后基本看不出橋梁有改造的痕跡。缺點(diǎn)是施工復(fù)雜，造價(jià)較高。

獨(dú)柱墩加固措施選擇宜綜合考慮凈空、施工條件等因素限制，選用可行方案。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)計(jì)算分析可得，規(guī)范中計(jì)算的失穩(wěn)作用效應(yīng)并非活載作用下的最不利效應(yīng)，僅是某支座產(chǎn)生最大拉力時(shí)其他支座產(chǎn)生的并發(fā)支反力，故規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定性系數(shù)2.5 并不意味著車輛可以超載2.5 倍，僅為該簡(jiǎn)化分析方法的偏差系數(shù)和實(shí)際車輛密集排布情況下汽車效應(yīng)的放大系數(shù)的綜合系數(shù)，故建議存在車流量大、超載嚴(yán)重的公路獨(dú)柱墩橋梁增加特殊荷載驗(yàn)算。

（2）獨(dú)柱墩為次邊墩時(shí)，橋臺(tái)及過(guò)渡墩支座容易出現(xiàn)拉力且抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)較小，設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)加大邊跨跨徑及支座間距，防止支座脫空，使其滿足規(guī)范要求。

（3）墩梁固結(jié)獨(dú)柱墩橋梁傾覆問(wèn)題實(shí)質(zhì)為橋墩承載力強(qiáng)度不足問(wèn)題，不屬于抗傾覆穩(wěn)定性問(wèn)題，但該類橋梁應(yīng)對(duì)橋墩進(jìn)行驗(yàn)算。

（4）上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制結(jié)構(gòu)，下部采用獨(dú)柱墩大懸臂蓋梁橋墩，該類橋梁傾覆的本質(zhì)也是橋墩及蓋梁強(qiáng)度不足問(wèn)題，應(yīng)對(duì)橋墩、蓋梁進(jìn)行驗(yàn)算。

（5）支座間距較小的雙支座獨(dú)柱墩及雙支座雙柱墩同樣存在傾覆穩(wěn)定性問(wèn)題，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意盡可能加大支座間距，原則上支座間距不小于橋面寬度的1/4。

（6）老規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)下的既有橋梁雖對(duì)橫向穩(wěn)定沒(méi)有相關(guān)要求，設(shè)置多個(gè)連續(xù)獨(dú)柱墩的橋梁建議按照新規(guī)范規(guī)定傾覆驗(yàn)算辦法進(jìn)行核算，對(duì)不滿足橫向穩(wěn)定要求的橋梁應(yīng)采取加固處置措施。

（7）通過(guò)本文兩個(gè)墩柱墩橋梁驗(yàn)算結(jié)果及原因分析，結(jié)合已發(fā)生傾覆橋梁的案例，可知存在傾覆穩(wěn)定性問(wèn)題的橋梁為設(shè)置連續(xù)多個(gè)單支座獨(dú)柱墩橋梁，經(jīng)結(jié)構(gòu)傾覆驗(yàn)算滿足規(guī)范且有一定富裕情況下，不應(yīng)完全舍棄獨(dú)柱墩構(gòu)造，合理選擇下部結(jié)構(gòu)。