獨柱墩連續(xù)箱梁橋抗傾覆驗算及加固設(shè)計

魏吉明

（青海省育才公路勘察設(shè)計有限公司，青海 西寧 810003）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，高架與立交成為我國基礎(chǔ)建設(shè)的重要組成部分，并起著疏導(dǎo)車流、緩解交通的作用，能夠有效提升運(yùn)輸效率。實踐表明，獨柱墩橋梁兼具外觀優(yōu)美、形式簡單、資源占用少等優(yōu)點，在實際工程中具有廣闊的應(yīng)用范圍[1]。

一般而言，獨柱墩橋梁會在橋臺及過渡區(qū)域采用雙支座的設(shè)計，而對跨中位置則采用單支承設(shè)計。因此，偏心或超載等的作用下，單支承的獨柱墩橋梁很容易出現(xiàn)支反力分布不均的問題，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致支座脫空。當(dāng)支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象時，原有的支承體系會隨之發(fā)生改變，并受到偏心荷載的長期作用而不斷劣化，促進(jìn)脫空程度的持續(xù)增大，失去原有平衡[2]。近些年，我國獨柱墩橋梁安全事故不斷增多，其中橫向傾覆問題越來越突出，威脅著社會安全。

以某橋梁工程為例展開分析，該項目采用3×25m的連續(xù)箱梁橋設(shè)計，在運(yùn)營期間有四輛超載大貨車同時違規(guī)停靠，導(dǎo)致橋梁受到過大的偏心荷載作用發(fā)生傾覆事故。針對這一事故展開了調(diào)研與分析，研討了橋梁的抗傾覆能力。

1 抗傾覆穩(wěn)定性驗算

通過對傾覆失穩(wěn)事故處理經(jīng)驗進(jìn)行分析，總結(jié)出其普遍存在的影響因素為：多輛超載汽車同時在橋梁上行駛；橋梁上部結(jié)構(gòu)采用整體式的連續(xù)箱梁設(shè)計；橋梁下部結(jié)構(gòu)涉及獨柱墩的設(shè)計，且其中多數(shù)柱墩僅采用單支承；雖然采用了多支承設(shè)計，但支承間距控制得較??；我國現(xiàn)行規(guī)范對于極端作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性缺乏詳細(xì)的條文規(guī)定。為了盡可能避免這一類問題的發(fā)生，需要加強(qiáng)對獨柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性驗算，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的加固處理[3]。

由于導(dǎo)致獨柱墩橋梁傾覆失穩(wěn)的主要作用類型為罕見的極端荷載，采用常用的極限狀態(tài)分析法進(jìn)行驗算難以達(dá)到預(yù)期要求，所以在完善驗算方案時應(yīng)當(dāng)以工程實踐為基礎(chǔ)，將其與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對，最后發(fā)現(xiàn)汽車荷載的分項系數(shù)取為3.4 比較合理。此外，針對單支承條件下連續(xù)箱梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)的作用機(jī)理展開進(jìn)一步研究，完善了上部結(jié)構(gòu)為整體式連續(xù)式箱梁、下部結(jié)構(gòu)為獨柱墩的橋梁抗傾覆穩(wěn)定性評價方法。

對于外界作用的基本組合，支座不發(fā)生脫空現(xiàn)象；在汽車荷載的分項系數(shù)取為3.4 時，支座也不宜發(fā)生脫空現(xiàn)象。這一驗算的主要目的在于：對中間橋墩為單支承設(shè)計的連續(xù)箱梁橋，在外界偏心作用下，主梁的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)也隨之提升，導(dǎo)致支座邊緣會出現(xiàn)脫空，使得橋梁結(jié)構(gòu)整體的受力體系發(fā)生變化。此時，若外部作用持續(xù)增加，則結(jié)構(gòu)將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)構(gòu)，失去原有的靜止平衡狀態(tài)，向著運(yùn)動狀態(tài)持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致傾覆事故發(fā)生。為了確保原有結(jié)構(gòu)受力體系不發(fā)生變化，避免橋梁向著失穩(wěn)的方向發(fā)展，就需要控制支座不產(chǎn)生脫空現(xiàn)象。而當(dāng)汽車荷載的分項系數(shù)取為3.4 時，支座也不宜發(fā)生脫空，但由于這一要求比較嚴(yán)格，因此不作為硬性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗算。

對于外界作用的基本組合以及汽車荷載的分項系數(shù)取為3.4 時，箱梁扭轉(zhuǎn)角均不大于0.02rad。這個驗算要求主要是由于當(dāng)中間獨柱墩采用單支承設(shè)計時，在外界偏心作用下，傾覆破壞的形態(tài)大致表現(xiàn)為幾何、材料以及接觸非線性特征，同時中間與兩側(cè)的橋墩內(nèi)會產(chǎn)生方向相反的水平力，其計算過程比較復(fù)雜。為了降低驗算工作量，在外界作用的基本組合以及汽車荷載的分項系數(shù)取為3.4 時，限制箱梁扭轉(zhuǎn)角在0.02rad 以內(nèi)。這一驗算標(biāo)準(zhǔn)也能夠確保支座處于正常工作的范圍內(nèi)。

對于僅采用單向受壓支座支承設(shè)計的橋梁而言，可按照下式（1）進(jìn)行驗算：

式（1）中：kqf為橫向抗傾覆安全系數(shù)，式（1）中取為5；Sbk,i及Ssk,i分別為使上部結(jié)構(gòu)保持、失去穩(wěn)定時的作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合設(shè)計值。

這一驗算的提出主要是：在計算假定下，上、下結(jié)構(gòu)各自的剛度均被簡化為了無窮大，因此在偏心作用下上部結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為繞外側(cè)支承的剛體轉(zhuǎn)動。由此所導(dǎo)致的破壞為突發(fā)的脆性破壞，在破壞前不會出現(xiàn)明顯的變形，所以在驗算時需要考慮較高的安全裕度，在本驗算中將安全系數(shù)選為1.5。同時，考慮到汽車荷載的分項系數(shù)取為3.4，因此橫向抗傾覆安全系數(shù)kqf最終取為5。不同于第二項驗算內(nèi)容，這一驗算主要以出現(xiàn)轉(zhuǎn)動后難以停止的結(jié)構(gòu)為對象，而第二項驗算內(nèi)容則主要考慮支承體系的變化，在變化后結(jié)構(gòu)往往能夠達(dá)到新的平衡。

2 獨柱墩連續(xù)箱梁橋的加固設(shè)計

若上述驗算不符合要求，還應(yīng)對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，根據(jù)工程實際情況選用相應(yīng)的技術(shù)手段，保障加固作業(yè)具有足夠的可靠性，并將施工難度控制在可接受的范圍內(nèi)[4]。目前常用加固措施可歸為以下四類：

2.1 增設(shè)抗扭拉桿裝置

在主梁與橋墩或橋臺的連接處附加抗扭拉桿裝置，使得主梁的扭轉(zhuǎn)受到約束，盡可能避免支座脫空導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)位移持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而降低傾覆失穩(wěn)的風(fēng)險，其構(gòu)造如圖1所示。

優(yōu)點：增設(shè)的扭拉桿裝置能夠在不改變原有結(jié)構(gòu)受力體系的基礎(chǔ)上發(fā)揮作用；裝置施工簡單、便捷，且工作量比較??；施工對于橋梁正常的交通運(yùn)輸不產(chǎn)生影響。

缺點：裝置設(shè)置后需要借助后錨固的方式進(jìn)行連接，這也將導(dǎo)致其強(qiáng)度受限，只能被用于支座脫空負(fù)反力比較小的工程中；對于無蓋梁的橋墩，一般還需要增設(shè)蓋梁。

2.2 增設(shè)支座、蓋梁

對原設(shè)計中采用單支承的橋梁增設(shè)蓋梁、支座，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀С袠蚨?，進(jìn)而起到優(yōu)化支承體系的作用，改善主梁的抗扭轉(zhuǎn)能力，降低橫向傾覆發(fā)生的風(fēng)險，其構(gòu)造圖如圖2所示。

優(yōu)點：通過增設(shè)蓋梁的方法將橋墩從單支承改為多支承，能夠顯著增強(qiáng)主梁抗扭轉(zhuǎn)的能力；施工規(guī)模較小，能夠根據(jù)項目實際情況靈活調(diào)整，降低對原有結(jié)構(gòu)的擾動；可對多個中間橋墩同時處理。

缺點：加固后橋墩所受橫向力較原結(jié)構(gòu)更大，需要驗算判斷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；加固效果受到結(jié)構(gòu)剛度等的限制比較大；對于橋下凈空有要求，施工前需要反復(fù)核驗施工條件；施工涉及扎筋、澆筑等工序，比較復(fù)雜。

2.3 改造橋墩結(jié)構(gòu)

受到增設(shè)支座、蓋梁加固的局限性影響，可對橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使其橫向支承由原有的單支承變?yōu)槎嘀С?，以此達(dá)到改進(jìn)約束條件的效果。在施工時，可以根據(jù)項目實際條件適當(dāng)加大橋墩尺寸，也可增加橋墩墩柱數(shù)量。

優(yōu)點：能夠顯著改善主梁抗扭轉(zhuǎn)的能力，防止橫向傾覆的發(fā)生，且一般僅對中間一個橋墩處理，即可滿足要求；加固處理后結(jié)構(gòu)的安全性具有可靠保障。

缺點：需要從橋墩整體出發(fā)進(jìn)行加固，工作量與施工難度比較高；加固后需要對橫隔梁進(jìn)行驗算，以防其發(fā)生失穩(wěn)；加固可能導(dǎo)致橋下凈空減小，需要實地調(diào)研分析；一般需要新增樁基，因此對施工條件要求比較高；施工過程可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致原有結(jié)構(gòu)力學(xué)性能下降。

2.4 增加支座間距

邊側(cè)位置的橋墩一般采用雙支承設(shè)計，若雙支承間距控制在較小的水平，則其對主梁的約束作用往往比較有限，甚至可能導(dǎo)致支座受拉。所以，可以適當(dāng)增大支座間的距離，改善結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)的能力。

優(yōu)點：該加固方法對寬幅箱梁橋有著顯著的效果；加固作業(yè)較簡單，能夠節(jié)省資源。

缺點：主梁的端橫一般需做接長處理，受到預(yù)應(yīng)力筋施工的限制，植筋作業(yè)難度較為突出，這也導(dǎo)致加固效果缺乏保障；在增設(shè)支承點后需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗算，如有必要還應(yīng)進(jìn)行二次加固；加固后需對橫梁進(jìn)行驗算。

2.5 特殊處理方案

除了上述四類常見加固方法外，在具體工程中技術(shù)人員還可根據(jù)實際情況靈活選用特殊處理方法。例如：對于左、右兩幅均采用獨柱墩連續(xù)箱梁設(shè)計的橋梁，若其上部結(jié)構(gòu)跨徑與梁長一致，可以考慮在兩幅橫梁之間加設(shè)連系梁，以此形成整體受力結(jié)構(gòu)，降低橫向傾覆的風(fēng)險。

但值得注意的是，在增設(shè)連系梁后需要對梁進(jìn)行驗算，對于較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可借助有限元軟件輔助分析。連系梁的設(shè)計與施工一般難度較大，在澆筑混凝土?xí)r需要做好臨時支撐，避免由于結(jié)構(gòu)變形帶來的混凝土質(zhì)量不可控問題。

3 抗傾覆加固設(shè)計的要點

在正式開始加固設(shè)計之前，首先需要對橋梁的原設(shè)計方案、竣備資料、檢測數(shù)據(jù)等有全面的認(rèn)識，來評價橋梁的狀態(tài)。此外，還需對工程進(jìn)行實地勘測，明確橋梁凈高等基本數(shù)據(jù)，以此判斷加固處理的技術(shù)條件，初步篩除可行性較低的方案。隨后，即可對各方案進(jìn)行有限元分析，驗算其力學(xué)性能。另外，施工段劃分、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對于支座反力的分布往往起著決定性作用，因此需要重點考慮。對于具體的加固項目，往往可以提出多種備選方案，在比選不同方案時應(yīng)當(dāng)按照以下原則進(jìn)行評價。

適用性：加固方案的確定應(yīng)當(dāng)考慮到建設(shè)環(huán)境與施工條件的限制，將施工的可行性控制在可接受的范圍內(nèi)，并盡可能減少對正常交通的影響。一般而言，上述四種主要加固方案的開展難度從大到小依次為：方案三、方案二、方案四、方案一。同時，需要對不同方案各自的適用范圍形成較為清晰的認(rèn)識，比如：方案一主要用于拉桿力不大于50t 的工程；方案二需要墩柱的壓彎能力符合基本要求；方案三的適用面雖然比較廣，但對于處于河道中的橋墩往往難以應(yīng)用；方案四的加固效果比較有限，僅適用于傾覆風(fēng)險較低的工程。

經(jīng)濟(jì)性：研究表明，上述四種主要加固方案的成本由高到低依次為：方案三、方案二、方案四、方案一，在具體工程中可通過組合使用多種方法達(dá)到優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益的效果。

可靠性：加固施工的工藝及材料選擇對于加固作業(yè)的最終效果有著顯著影響。方案一對于施工技術(shù)的要求更高，因此其加固效果往往難以得到有效保障。此外，不同方案之間的加固潛力也存在一定差異，其中方案三的承載能力潛力最大，其對主梁抗扭轉(zhuǎn)能力的改善效果也最為突出。

景觀性：對景觀性有較高要求的路段，還應(yīng)將景觀指標(biāo)納入方案比選所考慮的因素內(nèi)，比如：在對墩柱進(jìn)行加強(qiáng)時，一般采用整體板式構(gòu)造。

在借助新增蓋梁對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時，應(yīng)當(dāng)考慮到新老混凝土交界面的收縮作用，因此可使用補(bǔ)償收縮混凝土開展施工，同時也可附加纖維網(wǎng)來防止開裂。對于新增橫橋向支座的加固方案，在安裝時可不開展主梁頂升，而僅將梁底與支座相接觸并頂緊，以此來減小新增支座對原有主梁受力的干擾。在這樣的施工方案下，新增支座就只會承擔(dān)偏心荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力，因此可以降低支座對原有結(jié)構(gòu)受力體系的改變。值得注意的是，在養(yǎng)護(hù)時若需要更換支座，那么應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計工序搭接，保證各支座保持原有的力學(xué)狀態(tài)；若需在原有樁基附近增設(shè)樁基，那么就要對地質(zhì)條件進(jìn)行全面勘測，降低施工過程對原有結(jié)構(gòu)的影響，且樁基成孔一般可采取回旋鉆的方式。

4 結(jié)語

獨柱墩連續(xù)箱梁橋傾覆已經(jīng)成為我國基礎(chǔ)工程建設(shè)面臨的重要問題，本文基于實際工程分析了傾覆失穩(wěn)發(fā)生的機(jī)理，并提出了簡便實用的傾覆驗算方法。在選擇加固方案時也需要技術(shù)人員結(jié)合實際條件，綜合考量適用、經(jīng)濟(jì)、可靠等原則，比選最佳方案。