既有高架橋獨柱墩的抗傾覆加固技術

顧夏英 蔣凱臣 顧天熊

蘇州中固建筑科技股份有限公司 江蘇 蘇州 215152

2019年10月，江蘇無錫312國道上海方向錫港路上跨橋路段發(fā)生橋面傾覆事件，該事件造成重大交通事故，導致3人死亡，2人受傷。該橋墩為單支點體系，若有車輛超載行駛，那么在偏心荷載作用下，高架橋將存在整體傾覆的風險和隱患[1-3]?，F(xiàn)全國各地既有高架橋也存在大量獨柱墩，此事故推動了高架橋獨柱墩抗傾覆加固工作的全面開展。

1 工程概況

無錫高架橋獨柱墩抗傾覆加固應急項目包括29座高架、立交，涉及480聯(lián)橋梁，1 371個獨柱墩。獨柱墩形式多為花瓶形、圓形、矩形等，支座多為單支座、雙支座。整個應急項目提出的抗傾覆方案，在保證不影響通行的情況下，做到了施工操作簡易、安全性高、施工快捷，值得在其他地區(qū)相似工程中推廣。

2 加固方案

在選擇加固方案時，需綜合考慮加固帶來的額外荷載、抗傾覆的傳力路徑、抗傾覆加固安裝的凈空要求、對交通的干擾、施工工期、后期維護、加固跡象等因素。從抗傾覆加固原理出發(fā)，加固方案分為兩類，一是直接新增支座提高抗傾覆能力，二是安裝防支座脫空裝置。

2.1 新增支座抗傾覆方案

根據花瓶墩、圓形獨柱墩、矩形獨柱墩等橋墩形式，提出了幾種不同的新增支座方案，以減小傾覆力臂，起到了明顯的抗傾覆作用。

2.1.1 花瓶墩加固

對于花瓶墩，可采用在橋梁平面平曲線外側增加鋼牛腿并增加支座的改造方案，加固后墩身頂面會形成對稱的多支座形式。新增鋼牛腿有2種方式：不帶鋼抱箍鋼牛腿（圖1）和帶鋼抱箍鋼牛腿（圖2）。

圖1 不帶鋼抱箍鋼牛腿

圖2 帶鋼抱箍鋼牛腿

新增鋼牛腿抗傾覆原理為通過直接增加支撐點，減小傾覆力臂，從而達到抗傾覆的目的。對于經計算只需加一個支座的橋墩，鋼抱箍方式不太經濟，而不帶鋼抱箍的方式則更適用。

單側新增鋼牛腿（即不帶鋼抱箍鋼牛腿）構造主要包括2塊側面錨板、1個預制帶錨板鋼牛腿。為防止牛腿局部屈曲，牛腿中間預制加勁板。側面錨板與柱墩通過化學螺栓連接，帶錨板鋼牛腿與柱墩通過化學錨栓連接，側面錨板與牛腿焊接連接形成U形。

帶鋼抱箍鋼牛腿構造主要包括環(huán)繞柱墩的U形預制鋼抱箍、鋼牛腿、牛腿中預制加勁板、抱箍頂預制環(huán)加勁板。2塊抱箍之間通過高強螺栓連接，抱箍與墩身通過化學螺栓連接。

2.1.2 圓形、矩形獨柱墩加固

對于圓形、矩形獨柱墩，可采用在現(xiàn)狀墩身橫橋向進行兩側加寬并各增加多個支座的改造方式；或在墩頭兩側設置鋼牛腿，并在兩側各增加一個支座，構造方式與花瓶墩類似。

墩身加寬構造包括鋼筋籠、抗剪鍵、混凝土、鋼筋網片。墩身加寬部分柱腳用植筋的方式與承臺連接，柱頂封鋼筋網片加強，側面與既有柱墩之間植抗剪鍵并刷涂界面劑連接（圖3、圖4）。

圖3 墩身加寬立面

圖4 墩身加寬剖面

新增鋼管混凝土柱（CFST柱）構造包括鋼管混凝土柱、半圓形環(huán)板。柱腳采用化學錨栓與承臺連接，柱頂封鋼板，側面通過側板與原墩身上的環(huán)板焊接連接，2個半圓形環(huán)板焊接連接成一圈環(huán)（圖5、圖6）。

圖5 新增鋼管混凝土柱立面

圖6 新增鋼管混凝土柱剖面

2.2 防支座脫空抗傾覆方案

為防止支座脫空，可增設抗拉裝置，避免因支座脫空而改變結構受力體系，增加橫向抗傾覆性能。此方案主要是限制水平面位移，防止落梁。防脫空裝置包括抗拉板、拉桿、錨板、加勁板、軸桿等。錨板、加勁板、拉板于工廠預制成整體，錨板與柱墩采用化學錨栓連接，拉桿通過軸桿與拉板連接（圖7、圖8）。

圖7 圓形及矩形墩防支座脫空裝置

圖8 花瓶墩防支座脫空裝置

3 施工應用

3.1 墩身加寬

墩身加寬施工流程為：復測現(xiàn)場橋墩數據→梁底楔形塊施工→承臺開挖→墩身兩側加寬部分施工→支座墊石施工→梁體頂升→支座安裝。質量較大的橋墩比較適合采用本方案。但本方案會占用一定的橋下空間，且此方案規(guī)模大，新增的荷載比較大，對承臺要求較高。

增大截面法為常規(guī)工藝，但新老截面的變形協(xié)調需要兩者之間具有可靠連接。通過在新舊混凝土之間設置抗剪鍵（圖9）可保證兩者協(xié)同變形、受力。為加強墩身頂面承載力，在頂面鋪設4層鋼筋網片，每片之間間距8 cm。柱腳采用植筋方式與承臺進行連接?？辜艄拷钚纬煞忾]。施工完成后的現(xiàn)場如圖10所示。

圖9 抗剪鍵

圖10 墩身加寬后的現(xiàn)場

3.2 新增鋼管混凝土柱

新增鋼管混凝土柱的主要施工流程為：鋼管預制→承臺開挖→定位放樣→鋼管檢驗→鋼管吊裝→柱位微調→柱腳安裝→混凝土澆筑→局部補焊→支座安裝。質量較大的橋墩比較適合采用本方案，但本方案會占用一定的橋下空間，且此方案規(guī)模大，新增的荷載比較大，對承臺要求較高。為保證新增鋼管混凝土柱平面外穩(wěn)定性，需要在柱底、柱中、柱頂設置橫向支撐。

該抗傾覆方案對混凝土的澆筑要求較高。澆筑后再吊裝柱將比較困難，因此考慮先安裝再澆筑的施工工序。為保證澆筑密實，需分段澆筑，在鋼管柱預制時，每隔一定距離設置進料口，進料口安裝可開關的進料支管，直接與泵車的輸送管相連。為保證澆筑的密實性，澆筑時外部振搗器同時工作，并不斷用小錘敲打鋼管排氣。當混凝土沿進料口溢出一定量時，檢查澆筑質量，滿足要求后，停止?jié)仓?，關閉進料口閥門。對上方的下一個進料口進行同樣操作，直至柱頂（圖11、圖12）。

圖11 環(huán)板與橫撐連接

圖12 鋼管混凝土柱現(xiàn)場

3.3 增設鋼牛腿

增設鋼牛腿施工流程主要為：鋼構件下料→現(xiàn)場開孔→安裝錨板→焊接鋼牛腿→安裝新支座。施工完成后現(xiàn)場如圖13所示。當鋼牛腿較大，僅靠錨板連接已不能滿足要求時，可采用如圖14所示的鋼抱箍，將鋼牛腿與鋼抱箍連接。

圖13 不帶鋼抱箍鋼牛腿現(xiàn)場

圖14 帶鋼抱箍鋼牛腿

此方法可形成多點支撐，用以抵抗橋梁在偏心荷載作用下的傾覆力矩。該方案工程規(guī)模小，施工工期短，經濟性高；增加牛腿不占用橋下空間，不影響高架橋及下部道路的正常交通。但此方法僅適用支座脫空質量較小的情況，且錨栓位置施工時要避開鋼筋，需先定孔位再預制錨板。

3.4 增設支座防脫空裝置

增設支座防脫空裝置的主要施工流程為：鋼構件加工→混凝土表面基底處理→鉆孔→配置粘鋼膠→植埋錨栓螺桿→安裝粘貼鋼板→靜置固化→安裝拉板及銷軸→防腐處理→檢驗。施工完成后現(xiàn)場如圖15所示。

圖15 防支座脫空裝置

為了保證防脫空機制的形成，保證拉桿起到作用，上鉸的部位制成長圓孔，允許其發(fā)生微小位移，如圖16所示。

圖16 橢圓形長圓孔

為避免對原結構造成損傷，先探測鋼筋位置，再進行準確開孔。高架橋上孔位確定以后，再預制錨板并將螺栓孔預制完成，減少現(xiàn)場開孔等工序。

4 結語

1）獨柱墩形式多樣，可從2個方面快速地進行防傾覆加固，即直接新增支座及設計防支座脫空裝置。這2種方式都不影響高架橋的正常使用，并能很好地解決傾覆問題。

2）新增支座可采用加寬墩身、新增鋼牛腿等方式，防支座脫空可采用抗拉拔裝置。這些方式受力直接、施工方便。

3）根據傾覆時質量的大小，可采用不同的措施。質量小時優(yōu)先推薦施工速度快、不占用地面道路的鋼牛腿或防脫空等方式；當質量大時，建議選墩身加寬及新增鋼管混凝土柱等方式。

4）上述抗傾覆方式對于既有獨柱墩高架橋的加固處理都可適用，具有一定的推廣意義與參考價值。