獨(dú)柱墩橋梁傾覆原理與常用加固養(yǎng)護(hù)措施分析

文/黃正輝

1 前言

過(guò)去一段時(shí)間國(guó)內(nèi)獨(dú)柱墩橋梁建設(shè)數(shù)量不斷增長(zhǎng)，目前已經(jīng)有許多獨(dú)柱墩橋梁存在服役年限比較長(zhǎng)的問(wèn)題，再加上近些年國(guó)內(nèi)汽車(chē)保有量的不斷增長(zhǎng)，獨(dú)柱墩橋梁所承載的車(chē)流量也越來(lái)越大，甚至部分車(chē)輛還存在超載的問(wèn)題，這些客觀存在的情況都使得獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆性能出現(xiàn)了不同程度的弱化，進(jìn)而造成橋梁安全運(yùn)營(yíng)工作面臨比較大的困難[1]。要想提升獨(dú)柱墩橋梁的運(yùn)營(yíng)安全系數(shù)，有效保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，就必須在嚴(yán)查部分車(chē)輛超載問(wèn)題的同時(shí)，對(duì)存量的獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)營(yíng)安全質(zhì)量驗(yàn)算和排查，如果發(fā)現(xiàn)抗傾覆性能已經(jīng)不再滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的橋梁，就必須在第一時(shí)間進(jìn)行加固改造，從而達(dá)到提升獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆性能的目的。而實(shí)現(xiàn)科學(xué)有效加固改造的前提，就是要對(duì)獨(dú)柱墩橋梁自身的特點(diǎn)以及傾覆的過(guò)程和原理進(jìn)行深入的了解。

2 獨(dú)柱墩橋梁特點(diǎn)

獨(dú)柱墩橋梁無(wú)論在建設(shè)上還是在運(yùn)營(yíng)上都存在許多不可替代的優(yōu)點(diǎn)，比如其結(jié)構(gòu)輕巧，并且橋體的線形流暢，使得獨(dú)柱墩橋梁的施工更加簡(jiǎn)單，而且它對(duì)于占地面積的要求也不高，特別是在一些會(huì)受到地形因素限制的橋梁建設(shè)項(xiàng)目中，獨(dú)柱墩橋梁往往會(huì)成為項(xiàng)目設(shè)計(jì)方的首選。另外，獨(dú)柱墩橋梁還具備整體性能更好的特點(diǎn)，比如具備較高的行車(chē)舒適度，有非常強(qiáng)的跨越能力，非常有利于橋梁項(xiàng)目建設(shè)完工后的運(yùn)營(yíng)工作。尤其是在一些立交橋和高架橋項(xiàng)目中，獨(dú)柱墩橋梁會(huì)成為項(xiàng)目設(shè)計(jì)方的重點(diǎn)考慮方案。在實(shí)際的項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，獨(dú)柱墩橋梁一般會(huì)通過(guò)上部結(jié)構(gòu)材料在類(lèi)型上的區(qū)別進(jìn)行分類(lèi)，具體來(lái)說(shuō)包括鋼箱梁、組合箱梁（鋼+混凝土）、混凝土箱梁三個(gè)主要的類(lèi)型。在目前的存量獨(dú)柱墩橋梁中，混凝土箱梁是數(shù)量最多的類(lèi)型，這種橋梁通常會(huì)在梁端使用雙支座實(shí)現(xiàn)支撐效果，而中跨則可以進(jìn)一步分為墩梁固結(jié)、雙支座和單支座支撐方式[2]。

一般來(lái)講，如果獨(dú)柱墩橋梁修建在程序范圍內(nèi)，其橋墩頂面的空間限制條件會(huì)比較苛刻，從而導(dǎo)致支座的橫向間距足夠大，造成橋面的整體寬度同樣比較窄，而無(wú)法劃分出涇渭分明的多個(gè)車(chē)道。這個(gè)問(wèn)題的存在會(huì)導(dǎo)致城區(qū)范圍內(nèi)的獨(dú)柱墩橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中比較容易出現(xiàn)車(chē)輛偏載，進(jìn)而引發(fā)支座反力出現(xiàn)比較大的變化，最終造成橋梁的抗傾覆能力越來(lái)越弱。另外，獨(dú)柱墩橋梁傾覆情況的出現(xiàn)往往不會(huì)有任何事先的征兆，也就是說(shuō)問(wèn)題一旦爆發(fā)就會(huì)形成瞬間破壞，來(lái)不及做任何提前的組織安排以減少人們的生命財(cái)產(chǎn)損失，因此獨(dú)柱墩橋梁傾覆所帶來(lái)的社會(huì)影響也是極其惡劣。

3 獨(dú)柱墩橋梁傾覆原理分析

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)過(guò)往發(fā)生過(guò)的傾覆案例進(jìn)行分析和歸納，總結(jié)出了獨(dú)柱墩橋梁傾覆的發(fā)生原理，并用圖1的形式展示了獨(dú)柱墩橋梁傾覆過(guò)程發(fā)生的主要階段：

圖1 獨(dú)柱墩橋梁傾覆過(guò)程

獨(dú)柱墩橋梁之所以發(fā)生傾覆問(wèn)題，首先是在荷載偏心力的作用下，導(dǎo)致某一單項(xiàng)受壓支座出現(xiàn)脫空，這是修復(fù)過(guò)程發(fā)生的第一個(gè)階段，也是獨(dú)柱墩橋梁出現(xiàn)傾覆的第一個(gè)特征狀態(tài)。

單向支座依次繼續(xù)脫空，從而導(dǎo)致同一橋墩的成對(duì)橫向雙支座組成了抗扭支撐，最終形成對(duì)扭矩和扭轉(zhuǎn)角度的雙重約束。

在支撐一段時(shí)間后，首先會(huì)有某個(gè)支座脫離受壓狀態(tài)，這種情況下就只有一個(gè)支座能夠繼續(xù)約束扭矩，但是對(duì)扭轉(zhuǎn)角度已經(jīng)無(wú)能為力，梁箱的抗扭支撐此時(shí)已完全失效。

當(dāng)所有的梁箱抗扭支撐完全失效后，梁箱出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，從而導(dǎo)致梁箱出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、滑動(dòng)、變形、發(fā)散等情況，最終造成橋梁破壞。

4 加固獨(dú)柱墩橋梁的工程措施

要想通過(guò)加固改造的方式，提升獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆性能，就要抓住影響橋梁抗傾覆性能的主要因素。具體來(lái)講包括橫向間距、抗扭跨徑以及平曲線半徑、邊中跨比等，再通過(guò)驗(yàn)算方式檢驗(yàn)存量跟橋梁抗傾覆性能后，對(duì)于性能未滿足當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目，可以通過(guò)以下幾種方式進(jìn)行加固改造。

4.1 中墩改為墩梁固結(jié)

第一種方式是將獨(dú)柱墩橋梁的支座改為墩梁固結(jié)，圖2給出了墩梁固結(jié)的示意圖，從圖中可以看到，在實(shí)現(xiàn)這種改造后，可以將上部結(jié)構(gòu)的靜力平衡問(wèn)題轉(zhuǎn)而替換為截面的強(qiáng)度問(wèn)題，從而達(dá)到加固的效果。但需要注意的是，這種改動(dòng)也會(huì)增加墩梁固結(jié)區(qū)域構(gòu)件應(yīng)力，因此這種改造方案并不適用于所有的獨(dú)柱墩橋梁，只適用于高墩且溫度效應(yīng)和收縮徐變效應(yīng)不明顯的情況。

圖2 墩梁固結(jié)示意圖

4.2 增加新的墩柱

通過(guò)在獨(dú)柱墩橋梁的承臺(tái)兩側(cè)增加新的墩柱來(lái)實(shí)現(xiàn)橋梁的加固效果。橋梁墩從過(guò)去的單柱結(jié)構(gòu)升級(jí)為雙柱甚至多柱結(jié)構(gòu)，并通過(guò)橫向方向增加連接的方式，實(shí)現(xiàn)新增柱墩與原有柱墩的綁定連接，從而增加橋梁墩的抗傾覆性能，或者也可以通過(guò)擴(kuò)大既有承臺(tái)以及新增樁基的方式來(lái)達(dá)到同樣的效果。

4.3 改變橋墩橫截面

改變橋墩橫截面的目的是增加橫截面的面積，在橋墩橫截面面積增加后，能夠有效提升橋墩的抗傾覆性能。在改變橋墩橫截面的操作中，具體的做法是使用植筋立模澆筑混凝土，從而將獨(dú)柱墩的形態(tài)升級(jí)改造成為花瓶墩、板式墩等其他形態(tài)，如此便能有效增加橋墩的橫截面積。

4.4 在橋墩墩頂增加蓋梁

在橋墩墩頂增加蓋梁也是實(shí)現(xiàn)獨(dú)柱墩橋梁加固的有效工程手段。本文推薦在實(shí)際的操作過(guò)程中使用鋼結(jié)構(gòu)的蓋梁，這樣做的好處在于可以最大限度地降低因蓋梁自身重量所產(chǎn)生的對(duì)于原橋恒荷載的影響。

4.5 加裝抗傾覆設(shè)施

抗傾覆設(shè)施通常需要加裝在獨(dú)柱墩和箱梁的中間位置，常見(jiàn)的抗傾覆設(shè)施包括對(duì)拉鋼筋、耳釘、拉板塊等具備剛性或柔性抗拉拔性能的裝置。在完成抗傾覆設(shè)施的加裝后，可以有效避免支座脫空問(wèn)題出現(xiàn)，進(jìn)而避免獨(dú)柱墩橋梁傾覆過(guò)程中第一個(gè)特征狀態(tài)的出現(xiàn)以及事故的發(fā)生。通常情況下，加裝抗傾覆設(shè)施會(huì)應(yīng)用于雙支座獨(dú)柱墩橋梁的加固中。

5 獨(dú)柱墩橋梁的養(yǎng)護(hù)措施

要想讓獨(dú)柱墩橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中始終保持比較高的質(zhì)量安全系數(shù)，不僅需要前一小節(jié)所提到的加固方法，同時(shí)也需要在日常的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中做好養(yǎng)護(hù)管理。其中，既包括日常的巡查和定期檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的安全隱患，還包括要對(duì)獨(dú)柱墩橋梁做好預(yù)防性的養(yǎng)護(hù)，以此在增加獨(dú)柱墩橋梁使用壽命的同時(shí)，進(jìn)一步降低其綜合養(yǎng)護(hù)成本，具體來(lái)說(shuō)包括以下幾方面的工作內(nèi)容：

設(shè)置固定的檢測(cè)周期，對(duì)獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆性能進(jìn)行驗(yàn)算和校對(duì)，特別是對(duì)于承載車(chē)流量較大的重點(diǎn)區(qū)域的橋梁，還需要在固定檢測(cè)周期進(jìn)行驗(yàn)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。

在固定檢測(cè)周期之外，開(kāi)展日常檢測(cè)工作，日常檢查的主要工作內(nèi)容為支座檢測(cè)，以便提前發(fā)現(xiàn)可能存在的支座破壞隱患，避免因此導(dǎo)致的橋梁傾覆。

為獨(dú)柱墩橋梁組建智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)控橋梁的工作狀態(tài)，并將工作狀態(tài)數(shù)據(jù)化存儲(chǔ)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化實(shí)時(shí)計(jì)算橋梁抗傾覆性能的特征數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)針對(duì)傾覆事故的預(yù)測(cè)報(bào)警機(jī)制。

重點(diǎn)關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)中的橋墩和主梁的裂縫發(fā)展情況，這兩部分是橋梁的核心承重構(gòu)建，也是決定橋梁整體承載能力的關(guān)鍵所在，一旦發(fā)現(xiàn)存在裂縫的問(wèn)題，必須及時(shí)修復(fù)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，獨(dú)柱墩橋梁所承載的車(chē)流量在不斷增加，必須重視獨(dú)柱墩橋梁的加固和養(yǎng)護(hù)管理工作，從而確保人們的人身財(cái)產(chǎn)安全。本文列舉了獨(dú)柱墩橋梁通過(guò)加固實(shí)現(xiàn)抗傾覆能力增強(qiáng)的具體措施，同時(shí)橋梁的運(yùn)營(yíng)方也要做好橋梁的日常保養(yǎng)和維護(hù)，通過(guò)日常巡查加定期檢查的方式，更加及時(shí)地發(fā)現(xiàn)獨(dú)柱墩橋梁存在的傾覆隱患，這對(duì)于提升橋梁安全性能具有非常重要的意義。