獨柱墩橋梁抗傾覆及加固設計分析

摘 要：近年來橋梁建設中，獨柱墩橋梁因其占地小、橋下遮擋少等優(yōu)點，受到了許多地區(qū)的青睞，但隨著時間的推移，獨柱墩橋梁橫向穩(wěn)定性欠佳的弊端逐漸暴露出來，橋梁垮塌事故時有發(fā)生。本文簡單分析了獨柱墩橋梁傾覆的原因，并就如何進行加固設計展開了詳細的探討，以期為相關技術人員提供有益參考。

關鍵詞：獨柱墩橋梁;抗傾覆;加固設計

中圖分類號：U445.72 文獻標識碼：A

0 前言

受地形、交通、城市景觀等的影響，近十余年我國陸陸續(xù)續(xù)建設了大量的獨柱墩橋梁，這種橋梁不僅能優(yōu)化城市低空間布局，還能美化橋梁外觀，在城市立交橋、高速互通匝道橋工程項目中應用尤為廣泛。然而，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國橋梁工程面臨的交通壓力與日俱增，因車輛超載、偏載而發(fā)生的獨柱墩橋梁傾覆事故時有發(fā)生，亟須我們?nèi)リP注和解決。

1 獨柱墩橋梁病害原因分析

1.1 橋梁支座影響

支座脫空、支座剪切破壞是造成獨柱墩橋梁傾覆的常見原因之一，在高速公路互通匝道彎橋梁中尤其常見。在曲率的影響下，彎橋本身受力特性就十分獨特，即使橋面載荷對稱，彎橋也容易發(fā)生扭轉，再加上橋梁使用過程中外界溫度變化的影響，箱梁受到的扭矩是十分不均勻的，很容易發(fā)生外梁超載、內(nèi)梁卸載的現(xiàn)象。此外，當彎橋中支座內(nèi)外兩側受力不均，在恒載影響下，也容易產(chǎn)生負反力，偏心載荷長期作用易導致支座脫空，影響主梁結構。作為影響支座脫空的因素之一，支座間距調(diào)整的可操作性最強，可以在設計中予以考慮。

1.2 上部結構影響

獨柱墩橋梁抗傾覆能力和穩(wěn)固性不僅與其下部結構息息相關，同時也與其上部結構有關，據(jù)相關研究，橋梁的橫向抗傾覆系數(shù)會隨著橋梁容量的增加而增大[1]，在其它條件不變的情況下，比起鋼箱梁或組合梁，鋼筋混凝土梁的容量更大，抗傾覆能力也相對更強。其次，在上下部結構的連接方式上，許多獨柱墩橋梁會選擇墩梁固結的方式，這種方式理論上可以緩解墩柱壓力，防止主梁變形，但使用過程中墩梁固結處卻有可能在長期偏心載荷的作用下發(fā)生開裂等病害，為主梁傾覆埋下隱患。

1.3 橋梁柱墩影響

多跨度柱墩大多采用的是連續(xù)箱梁結構，以連續(xù)單點支座為基礎的若干個獨柱墩，是整個橋梁的中心支點，當橋面車輛偏載情況發(fā)生時，這種扭矩力就會以支點為軸線作用在主梁上，而獨柱墩本身抗扭矩能力又極弱，在橫向彎矩和急劇增大的水平剪力[2]的共同作用下，柱墩實際負荷很容易超過其自身承載能力，從而發(fā)生主梁倒塌、傾覆的現(xiàn)象。值得注意的是，車輛超載、偏載在很多案例中都是誘發(fā)橋梁傾覆的直接因素，管理部門一定要引起高度重視，加大超載處罰力度，以免使獨柱墩橋梁長期處于超負荷狀態(tài)。

2 獨柱墩橋梁抗傾覆及加固設計

2.1 橋梁上部結構的優(yōu)化設計

獨柱墩橋梁傾覆事故的發(fā)生不是一蹴而就的，而是在長期的、多方面不良因素的綜合影響下產(chǎn)生的，它的發(fā)展具有明顯的階段性，車輛偏載引起支座脫空是第一階段，橋梁上部結構在持續(xù)超載運作過程中引發(fā)結構失穩(wěn)是第二階段，最終導致傾覆的發(fā)生，橋梁建設主管部門應當引起重視，及時發(fā)現(xiàn)橋梁傾覆趨勢，采用適宜的方案進行加固施工，避免傾覆事故的發(fā)生。橋梁上部結構在一定程度上影響著橋梁的橫向抗傾覆系數(shù)，在獨柱墩橋梁加固設計中，應當將上部結構容量提升納入思考方向。承建單位可以在橋梁底部增設鋼桁梁，利用錨栓將其與橫梁緊固在一起，直接對橫梁現(xiàn)澆混凝土進行植筋，以達到加寬加長橫梁的目的，從而使獨柱墩橋梁內(nèi)外側支座受力趨于平衡，在此基礎上，還可以增設拉壓支座，以抵抗載荷作用下產(chǎn)生的扭矩力，緩解主梁壓力，提升獨柱墩結構的抗傾覆能力。這種方式操作簡便，也不會影響獨柱墩橋梁整體的美觀性能，實用性較強。

2.2 橋梁下部結構的加固設計

（1）增設抗拉裝置。在橋梁邊墩設置抗拉裝置，能夠有效避免橋梁結構因支座脫空而產(chǎn)生改變，常見的抗拉裝置有抗拉板、拉桿等，通過錨栓與原結構相連，從而提升橋梁橫向抗傾覆性能。在抗拉施工開始前，施工單位應當先對橋梁進行無損檢測，找準受力鋼筋的位置，在不損害原有結構的基礎上進行鋼板開孔，為確保構件強度，可以事先對其進行抗拉拔試驗。在施工過程中，要先細致清理構件表面，按照設計要求的直徑在鋼板上鉆孔，鉆孔深度略深于鋼筋埋設深度即可，盡可能保證孔道順直，鉆孔完成后，要注意用壓縮空氣對孔內(nèi)進行清理，吹完灰后一般再用硬毛刷刷3次即可，要保證鉆孔內(nèi)壁干燥無塵。其次，在鋼板安裝時，應當先將混凝土和鋼板表面均勻涂抹上粘鋼膠，厚度2 mm～3 mm即可，并按照預定空位安裝螺桿和螺母，使用扳手和長套筒對螺母進行錨固加壓，以確保其緊固性。要注意檢查鋼板與混凝土之間的黏性，如果發(fā)現(xiàn)縫隙，要及時進行補膠處理。膠體固化之前，施工人員可以用小錘敲擊測試，防止空鼓現(xiàn)象的發(fā)生。這種施工方式規(guī)模較小，構造簡單，操作便捷，施工過程中不會影響橋上的正常通行，也不會對橋體原本構造產(chǎn)生不利影響，但其抗拔力會受到構件尺寸的限制，實際抗拔效果一般。此外，還可以在橋梁上下部結構之間增設連接裝置來完成加固，獨柱墩橋梁上下部連接裝置可以利用自身的豎向承載力削弱持續(xù)載荷下支座的豎向返利，從而防止支座脫空，降低橋梁傾覆事故的發(fā)生機率?？梢圆捎玫鯒U、錨具所組成的吊桿式連接結構，也可以是拉桿連接結構，它們的原始預應力可以轉化為獨柱墩橋梁支座的壓力儲備，與扭矩力相互抵消，防止支架脫空，結構改變。

（2）增設梁蓋。對于本身剛度較大的獨柱墩，可以采用增設梁蓋的施工方案進行加固，其設計思路是通過鉆孔和鋼構件預制加工來增設梁蓋，并在新增梁蓋上設置支座系統(tǒng)，這樣橋梁受到扭矩力時就可以由單點支撐轉為多點支撐，避免傾覆發(fā)生。橋梁加固用鋼結構在某些情況下會受到較大的集中應力，因此在工廠預加工階段一定要做好質量控制。首先是鋼材選擇，一般采用Q345C鋼板，要注意選擇手續(xù)齊備、業(yè)務正規(guī)的廠家，鋼材一定要有出廠質量證明。其次在鋼材焊接上，主要受力焊縫為一級焊縫，要經(jīng)過嚴格的超聲波探傷抽檢，不應出現(xiàn)咬邊等缺陷;加勁肋焊縫則為二級焊縫[3]，要避免出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷，除特殊標注外，應全部采用氣體保護焊或埋弧自動焊接。構件完成制作后運抵現(xiàn)場進行安裝，要注意合理控制安裝標高，切忌超高設計高程，安裝完成后，要在預留孔位植入高強螺栓并緊固。植筋時，先對鋼筋進行人工除銹，然后對孔內(nèi)注入植筋膠，膠量大致為孔深的2/3，然后手握鋼筋緩緩插入，確保植筋膠與鋼筋充分接觸，待植入鋼筋達到固結要求后，就可以進行綁扎、焊接和養(yǎng)護了。此外，支座安裝也要遵循一定的工藝流程：第一步是安裝盆式支架上鋼板，在放樣鉆孔后對4個孔洞進行螺栓植埋，并適當上調(diào)平塊，可以采用結構膠平衡梁底結構，消除縱橫坡。第二步是安裝下鋼盆，要利用螺栓將整個支座釘死在梁底，為使支座更加牢固，還要用鋼筋網(wǎng)片對鋼盆和剪力釘之間的縫隙進行綁扎，并澆筑灌漿料。增設梁蓋的方式讓單支撐體系的獨柱墩橋梁轉變?yōu)榱硕嘀误w系，抗傾覆效果較好，且不影響周圍交通，缺點是構件尺寸較大，構造較為復雜，還需要增設支座，經(jīng)濟成本較高。

（3）增設樁柱。支座間距是影響獨柱墩橋梁穩(wěn)定性的重要因素之一，在柱墩位置增設立柱，并在立柱頂上設置支座，可以使支座間距拉長，增強抗傾覆能力，材料可選擇混凝土柱、鋼柱等，要特別注意原橋梁結構與新增樁柱之間的連接問題。立柱施工應當嚴格按照圖紙進行，河中的立柱施工難度較大，應當先對水下淤泥情況進行排查，借助挖機清挖淤泥，為防止清除后淤泥二次回攏，可以適當擴大清除范圍。清淤工作完成后方可進行承臺頂面清理，可以利用水下鑿除工具對頂面立柱安裝位置進行整平作業(yè)。清除工作完成后，就可以將鋼柱或混凝土柱下放，下放過程中注意用千斤頂承托梁底，然后進行橫向連接，并安裝盆式支座。此外，鋼柱因此金屬性質較易受到外界環(huán)境的腐蝕和影響，如果施工方采用的是鋼材質立柱，還要注意做好防腐保護，在噴砂除銹后對所有板件噴涂車間底漆、環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧云鐵漆等，在有水路段，鋼柱下部是直接插入水中的，因此防腐工作要在出廠前就準備完成。如果運輸過程中因為磕碰發(fā)生局部掉落，還應注意補涂。如果采用的是鋼筋混凝土立柱，則要注意控制好混凝土配比以及攪拌、振蕩工藝，確?；炷敛粫驗槭湛s、徐變產(chǎn)生裂縫。通過增設立柱，單支承獨柱墩橋梁轉變?yōu)殡p支承，抗傾覆能力提升較為顯著，可靠性極高，工藝流程簡單，質量也相對好控制。但應用于城市時，容易擠占橋梁下部空間，影響行車交通，因此施工前一定要綜合考慮現(xiàn)場地質情況、橋下孔家你等因素。

2.3 中墩支撐偏心距調(diào)整設計

除載荷壓力、支座間距等因素外，橋墩偏心距也在一定程度上影響著橋梁的抗傾覆性能，據(jù)相關研究顯示，橋梁的橫向抗傾覆系數(shù)會隨著獨柱墩曲線外側與偏心的增大而提升。在外側弧線長于內(nèi)側弧線的曲線橋梁中，這種規(guī)律表現(xiàn)更為明顯，由于重心不在中心線處，橋梁必然會在長期的行車載荷作用下產(chǎn)生彎-扭耦合作用，并引發(fā)支座內(nèi)外側受力不均的問題，最終導致傾覆事故發(fā)生。在獨柱墩曲線梁橋中合理設置偏心距，就相當于往中心支點施加了一個集中扭矩力，有利于促進扭矩的均勻分布，緩解支點截面的扭矩，從而改善支座受力情況，提升獨柱墩橋梁的橫向穩(wěn)定性。

3 結論

在獨柱墩橋梁中，橋梁曲線半徑、支座間距、上部結構恒載等都會影響橋梁橫向抗傾覆性能，因此在施工中，要盡量選擇多支座墩型，并適當拉大支座間距，合理設置中墩支撐偏心距，結合實際情況對增設梁蓋、增加墩柱、增設抗拉裝置等方案進行選用。同時，作為主要的橋梁傾覆原因，車輛超載、偏載現(xiàn)象在我國屢禁不止，相關部門也要加大查處力度，以減少獨柱墩橋梁傾覆事故的發(fā)生。

參考文獻：

[1]林孔斌.獨柱墩橋梁抗傾覆因素研究[J].福建交通科技，2020（4）：135-138.

[2]陳園園.淺談獨柱墩橋梁橫向抗傾覆加固措施[J].建材與裝飾，2018（30）：285-286.

[3]李維俊，王榃.獨柱墩抗傾覆加固設計及應用的探討[J].四川水泥，2021（4）：327-328.

作者簡介：簡建軍（1985-），男，湖北黃岡人，本科，工程師，從事橋梁設計工作。