獨柱墩橋梁抗傾覆加固改造技術(shù)

陳 勇，楊培偉

(1.中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司,湖北 武漢 430074；2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室，湖北 武漢 430034；3.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引言

隨著服役年限的不斷增長、車流量的增加以及越來越多的超載車輛出現(xiàn)，獨柱墩橋梁運營質(zhì)量不斷降低，橋梁的抗傾覆性能不斷惡化，為消除橋梁運營安全隱患，提高獨柱墩橋梁抗傾覆性能，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全，同時應(yīng)對部分車輛嚴(yán)重超載等極端情況，亟需對獨柱墩橋梁運營現(xiàn)狀進行摸排，對抗傾覆性能不滿足現(xiàn)行規(guī)范[1]的橋梁進行加固改造。

本文依托獨柱墩橋梁傾覆事故案例和獨柱墩橋梁加固改造項目實例，從獨柱墩橋梁傾覆問題的特點及原因分析，橋梁抗傾覆性能驗算評估方法及橋梁傾覆機理，獨柱墩橋梁加固改造技術(shù)解決方案以及獨柱墩橋梁運維要點等幾個方面進行全面梳理和研究，旨在為獨柱墩橋梁的安全運營提供比較全面的技術(shù)指導(dǎo)。

1 獨柱墩橋梁現(xiàn)狀

1.1 獨柱墩橋梁特點

獨柱墩橋梁具有結(jié)構(gòu)輕巧、線形流暢、占地量小、通透度大、施工方便等優(yōu)點，在受到地形、地物限制城區(qū)，獨柱墩橋梁成為優(yōu)選橋型。這類橋梁的上部結(jié)構(gòu)多采用連續(xù)箱梁，與簡支梁相比，其整體性能好、行車舒適度高、跨越能力強，在立交橋、高架橋的分離式匝道或上下引橋的設(shè)計中占有重要地位。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計，獨柱墩橋梁普遍具有如下技術(shù)參數(shù)特征： ①橋面寬度8～11m； ②橋跨數(shù)98%以上在5跨以內(nèi)； ③總聯(lián)長約97%在200m以內(nèi)； ④約90%平曲線半徑≥90m。

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)材料類型，獨柱墩橋梁分為鋼箱梁獨柱墩橋梁、鋼-混凝土組合箱梁獨柱墩橋梁和混凝土箱梁獨柱墩橋梁，其中以混凝土現(xiàn)澆箱梁為主，其梁端多采用雙支座支撐，中跨分為墩梁固結(jié)、雙支座和單支座支撐方式，如圖1所示。

圖1 獨柱墩橋梁墩梁連接方式

通常城區(qū)范圍內(nèi)的獨柱墩橋梁因受橋墩頂面的空間限制，支座橫向間距較小，且橋面寬度不大，無明顯的車道劃分，車輛偏載情況較為普遍，因偏載引起支座反力變化較大，獨柱墩橋梁抗傾覆能力薄弱的現(xiàn)象愈發(fā)凸顯。獨柱墩橋梁在使用過程中出現(xiàn)傾覆時，事先并無明顯征兆，屬于瞬態(tài)破壞形式，一旦發(fā)生將會危及民眾生命安全、造成巨大的經(jīng)濟財產(chǎn)損失、產(chǎn)生極其惡劣的社會影響。

1.2 典型傾覆案例及原因分析

1)案例1 某立交橋上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土連續(xù)梁，跨徑布置為(17+22+22+17)m+30m，下部結(jié)構(gòu)為獨柱墩單支座形式。事故發(fā)生時橋面3輛單車約140t的車輛偏載通行，整體傾覆，倒塌后橋梁結(jié)構(gòu)整體性基本完好(見圖2a)。

2)案例2 某跨線橋上部結(jié)構(gòu)為簡支鋼箱梁、下部結(jié)構(gòu)為小間距雙支座花瓶墩，事故發(fā)生時3輛單車約100t的車輛偏載通行，主梁繞中心軸一側(cè)支座傾覆，傾覆后鋼主梁、混凝土橋墩無結(jié)構(gòu)性損害(見圖2b)。

圖2 獨柱墩橋梁傾覆案例分析

從以上案例看出，發(fā)生上部結(jié)構(gòu)整體傾覆的橋梁具有以下共同特征[2]： ①上部結(jié)構(gòu)為整體箱梁、下部結(jié)構(gòu)為獨柱墩； ②過渡墩和橋臺位置為雙支座，中跨橋墩采用單支座，其中簡支梁橋端部雙支座間距較??； ③超過設(shè)計荷載的車輛集中偏載通行(見圖2c)；④事故發(fā)生前無明顯預(yù)兆、猝然發(fā)生，事后結(jié)構(gòu)整體性基本完好。

1.3 獨柱墩橋梁傾覆機理分析

在偏心荷載作用下，單向受壓支座依次脫離受壓狀態(tài)，箱梁支撐體系不再提供有效約束，箱梁扭轉(zhuǎn)變形趨于發(fā)散至橫向失穩(wěn)垮塌[3]，支座、下部結(jié)構(gòu)連帶損壞(局部)。根據(jù)獨柱墩橋梁傾覆案例的分析以及相關(guān)研究，其傾覆過程可表達為幾個典型過程，如圖3所示。

圖3 獨柱墩橋梁傾覆過程

2 獨柱墩橋梁抗傾覆驗算評估

獨柱墩橋梁上部結(jié)構(gòu)在傾覆的過程中存在2個明確特征狀態(tài)[4]： ①特征狀態(tài)1 箱梁的單向受壓支座開始脫離受壓； ②特征狀態(tài)2 箱梁的抗扭支承全部失效[5]。

將這兩個特征狀態(tài)作為抗傾覆驗算工況： ①達到特征狀態(tài)1 在作用基本組合下，箱梁橋的單向受壓支座處于受壓脫空狀態(tài)； ②達到特征狀態(tài)2 箱梁的抗扭支承全部失效時，箱梁處于受力平衡或扭轉(zhuǎn)變形失效的極限狀態(tài)。箱梁橋同一橋墩的一對雙支座構(gòu)成一個抗扭支承，起到對扭矩和扭轉(zhuǎn)變形的雙重約束；當(dāng)雙支座中一個支座豎向力變?yōu)?而失效后，另一個有效支座僅起到對扭矩的約束，失去對扭轉(zhuǎn)變形的約束，如圖4所示。

注：有效支座；●失效支座圖4 獨柱墩橋梁達到特征狀態(tài)2的過程

對箱梁的抗扭支承全部失效狀態(tài)，采用“穩(wěn)定作用效應(yīng)≥穩(wěn)定性系數(shù)×失穩(wěn)作用效應(yīng)”的表達式。箱梁橋處于特征狀態(tài)2時，各橋墩都存在1個有效支座，穩(wěn)定效應(yīng)和失穩(wěn)效應(yīng)按照失效支座對有效支座的力矩計算，如圖5所示。

注：有效支座；●失效支座圖5 獨柱墩橋梁特征狀態(tài)2時的有效支座示意

2.1 驗算評估方法

根據(jù)JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》第4.1.8條，持久狀況下，梁橋不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變，并應(yīng)同時滿足下列規(guī)定。

1)在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)。

2)按作用標(biāo)準(zhǔn)值進行組合時，整體式截面簡支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)應(yīng)符合下式要求：

穩(wěn)定效應(yīng)：∑Sbk,i=∑RGkili

失穩(wěn)效應(yīng)：∑Ssk,i=∑RQkili

式中：kqf為 抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取2.5，綜合考慮該簡化方法的偏差系數(shù)和實際車輛密集排布情況下汽車荷載的放大系數(shù)后確定；li為第i個橋墩處失效支座與有效支座的支座中心間距；RGki為在永久作用下，第i個橋墩處失效支座的支反力，按全部支座有效的支承體系計算確定，按標(biāo)準(zhǔn)值組合取值；RQki為在可變作用下，第i個橋墩處失效支座的支反力，按全部支座有效的支承體系計算確定，按標(biāo)準(zhǔn)值組合取值，汽車荷載效應(yīng)(考慮沖擊)按各失效支座對應(yīng)的最不利布置形式取值。

2.2 某獨柱墩橋梁抗傾覆驗算分析

1)驗算過程

以某互通匝道橋的獨柱墩橋梁第1聯(lián)為例進行抗傾覆驗算，本聯(lián)橋梁為(23.761+3×20)m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。0，4號過渡墩采用雙柱墩，1～3號墩采用獨柱墩。箱梁為單箱雙室截面，頂板寬度為10.5m，底板寬度6.0m，懸臂2.0m，斜腹板，梁高1.5m。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖6所示。

圖6 匝道橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

按照J(rèn)TG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》要求，對上部結(jié)構(gòu)抗傾覆進行驗算。橋涵設(shè)計荷載按汽車荷載公路-Ⅰ級考慮，在恒荷載和二期荷載以及汽車荷載沖擊系數(shù)μ2=0.45條件下進行驗算。按單車道偏載和雙車道偏載工況[6-7]分別進行驗算，偏載布置如圖7所示。

圖7 獨柱墩橋偏載布置

2)驗算結(jié)論

汽車單、雙車道偏載，抗傾覆驗算如表1，2所示。可見失效效應(yīng)發(fā)生于特征狀態(tài)2，其抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)kqf單車道偏載時為1.86，1.85；雙車道偏載時為1.78，1.77，均小于2.5，因此均不滿足要求。

表1 單車道偏載驗算結(jié)果

表2 雙車道偏載驗算結(jié)果

3 獨柱墩抗傾覆技術(shù)解決方案

3.1 獨柱墩加固改造方案

影響?yīng)氈諛蛄嚎箖A覆性能的主要因素為支座橫向間距[8]、抗扭跨徑、平曲線半徑、邊中跨比。針對既有運營獨柱墩橋梁抗傾覆性能驗算不滿足要求，提出以下加固改造方案。

3.1.1中墩改為墩梁固結(jié)

將跨中單支座橋墩改造為墩梁固結(jié)(見圖8)，上部結(jié)構(gòu)的靜力平衡問題轉(zhuǎn)變?yōu)榻孛娴膹姸葐栴}。

圖8 墩梁固結(jié)示意

但因原來由支座適應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系變形改為橋墩協(xié)調(diào)變形，將增加墩梁固結(jié)區(qū)域構(gòu)件的應(yīng)力水平，因此該方案僅適用于高墩且溫度效應(yīng)和收縮徐變效應(yīng)不顯著的情況。

3.1.2增設(shè)墩柱

在獨柱墩既有承臺(或?qū)⒃谐信_擴大，或增加樁基)兩側(cè)增設(shè)墩柱，由單柱式改為多柱式，并設(shè)置橫向連接系與既有獨柱墩連接(見圖9)。

圖9 獨柱墩增設(shè)墩柱抗傾覆

3.1.3加大截面法

將獨柱墩通過植筋立模澆筑混凝土，加大并改變橋墩截面形式，一般做法是將獨柱墩變成板式墩(見圖10)或花瓶墩，在原支座兩側(cè)增加2個支座。

圖10 獨柱墩變板式墩

3.1.4增設(shè)蓋梁法

在橋墩墩頂增加蓋梁，保留原支座，橫橋向再增加2個支座，為減小增加構(gòu)件自重對原橋恒荷載的影響，蓋梁一般采用鋼結(jié)構(gòu)形式(見圖11)。主要改造措施是在橋墩頂部通過牛腿方式安裝鋼抱箍，采用螺栓將其箍緊，鉆孔安裝錨栓，注入粘鋼膠粘鋼處理。待鋼蓋梁施工完成后，安裝新增支座并與箱梁密貼。

圖11 鋼蓋梁

3.1.5增設(shè)抗傾覆裝置

在獨柱墩與箱梁之間通過設(shè)置剛性或者柔性抗拉拔裝置，如對拉鋼筋、耳釘、拉桿、拉板塊等(見圖12)，限制支座脫空進而發(fā)生橋梁傾覆事故，一般適用于雙支座獨柱墩。

圖12 抗傾覆裝置

3.1.6鋼箱梁增加配重法

獨柱墩鋼箱梁自重輕，抗傾覆性能差，一般在墩頂附近和曲線半徑較小的曲線內(nèi)側(cè)箱室內(nèi)灌注混凝土作配重，達到提高橋梁抗傾覆性能要求。

3.2 抗傾覆支撐點傳力功能實現(xiàn)

作為抗傾覆支撐，是在不改變原橋傳力方式條件下作為預(yù)防性作用的支撐。獨柱墩一般為連續(xù)梁的中墩，所以抗傾覆的支撐不能限制橋梁梁體的橫縱向位移活動，也不能改變橋梁正常運營條件下原支座的受力狀況。

增加的支座需滿足： ①雙向活動功能； ②支座要與梁底始終保持密貼以防止橋梁正常運營下梁底與支座頻繁動態(tài)接觸，并且不能受力(相對原支座而言)。具體措施如下。

1)采用四氟板橡膠支座 為雙向活動支座，滿足雙向活動需要。通過二次灌漿的方法實現(xiàn)支座與梁體密貼，具體做法是在增設(shè)的墩柱澆筑至頂部約50cm時，先采用千斤頂將支座預(yù)頂使之與梁底密貼后進行固定鎖死，再進行支座底部二次灌漿。

2)采用可調(diào)高支座 用可調(diào)高支座安裝到位后向支座內(nèi)腔壓入合成材料實現(xiàn)一定(遠小于原支座力)的預(yù)頂力，確保支座與梁底始終密貼，支座結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 可調(diào)高支座

4 獨柱墩橋梁運維合理化建議

1)針對抗傾覆系數(shù)不能滿足規(guī)范要求的獨柱墩橋梁，實施加固改造前建議采取布置限重標(biāo)志方式對可能通行的重載車輛進行控制，同時安裝視頻監(jiān)控設(shè)備予以全面監(jiān)控。

2)加強擬加固改造橋梁的日常檢查頻率，并針對有傾覆趨勢的特征表現(xiàn)，如橋梁端部伸縮縫出現(xiàn)錯臺、護欄發(fā)生高度方向錯位、梁體端部在車輛經(jīng)過時發(fā)出異響、支座脫空等進行詳細(xì)觀察和記錄。

3)為長期有效掌控獨柱墩橋梁的工作狀態(tài)，建議針對典型橋梁建立智能化監(jiān)測系統(tǒng)[9]，實時獲取其表征抗傾覆性能的特征數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

通過對獨柱墩橋梁傾覆問題的特點及原因進行分析，基于橋梁抗傾覆性能驗算評估方法及橋梁傾覆機理，提出多種滿足一定條件下的獨柱墩抗傾覆加固改造的技術(shù)解決方案，并就獨柱墩橋梁運營維護管理提出合理化建議，對獨柱墩橋梁的安全運營提供了技術(shù)支持。