城市獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆加固改造設(shè)計(jì)探討

杜 軍

（南京市城市道路管理中心，江蘇 南京 210018）

0 引言

獨(dú)柱墩橋梁具有結(jié)構(gòu)輕巧、占地少、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，往往是城市立交和高架橋優(yōu)選的下部結(jié)構(gòu)形式。這類橋梁的上部結(jié)構(gòu)通常采用連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)來提升跨越能力，達(dá)到城市土地資源的高效利用。但近年來，獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故頻發(fā)。2017 年4 月杭州蕭山高架橋發(fā)生傾覆垮塌，2019 年10 月無錫312國道橋梁發(fā)生傾覆垮塌。這些事故給人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。本文介紹在不顯著改變原有橋梁結(jié)構(gòu)受力體系的條件下對獨(dú)柱墩進(jìn)行改造，并使其技術(shù)指標(biāo)滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

1 獨(dú)柱墩橋梁排查情況

2018 年11 月1 日實(shí)施的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）[1]增加了橋梁穩(wěn)定性設(shè)計(jì)指標(biāo)，即在持久狀況下，梁橋不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變，并應(yīng)同時(shí)滿足下列規(guī)定：

特征狀態(tài)1：在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)。

特征狀態(tài)2：按作用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組合時(shí)，整體式截面簡支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)應(yīng)符合式（1）要求。

式中：kqf為橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取kqf=2.5；∑Sbk，i為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；∑Ssk，j為使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

2018 年，南京市按照新頒布的《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 99—2017）[2]中有關(guān)獨(dú)柱墩橋梁的養(yǎng)護(hù)要求，對全市獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行隱患排查，并按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）對獨(dú)柱墩橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算。結(jié)果顯示，在南京市29 座立交和高架橋中共有獨(dú)柱墩橋梁308 聯(lián)，其中148 聯(lián)橫向抗傾覆性能滿足規(guī)范要求，占比48%，160 聯(lián)橫向抗傾覆性能不滿足規(guī)范要求。在不滿足規(guī)范要求的橋梁中，有121聯(lián)（鋼箱梁1 聯(lián)）特征狀態(tài)1 不滿足規(guī)范，占比39.2%；有7 聯(lián)（鋼箱梁1 聯(lián)）特征狀態(tài)2 不滿足規(guī)范，占比2.3%；有32 聯(lián)（鋼箱梁7 聯(lián)）特征狀態(tài)1 和特征狀態(tài)2 都不滿足規(guī)范，占比10.4%。

2 獨(dú)柱墩橋梁加固改造原則

根據(jù)南京市獨(dú)柱墩橋的調(diào)查計(jì)算結(jié)果，綜合考慮獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特點(diǎn)、抗傾覆機(jī)理及過程、橋梁運(yùn)行狀態(tài)和交通現(xiàn)狀等多方面因素，提出以下加固改造原則：

（1）提高獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆性能，加固改造后抗傾覆性能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（2）加固改造不顯著改變結(jié)構(gòu)受力體系，盡可能降低對既有構(gòu)件的影響。

（3）加固改造后的橋梁滿足原功能要求（如橋下凈空）。

（4）考慮橋梁空間布局及周邊環(huán)境，改造后橋梁外觀與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。

（5）盡可能降低對交通的干擾。

3 橋梁支座脫空改造方案

對于存在支座脫空風(fēng)險(xiǎn)的橋梁，在其梁底增設(shè)抗拉拔裝置?？估窝b置由錨固鋼結(jié)構(gòu)及銷軸組成。錨固鋼結(jié)構(gòu)分為上下兩部分，通過銷軸連接，通過植入螺桿分別與箱梁底和橋墩連接，允許箱梁產(chǎn)生水平向位移。改造方案見圖1 和圖2。

圖1 抗拉拔裝置示意圖（單位：cm）

圖2 增設(shè)抗拉拔裝置改造后照片

4 抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)不足的改造方案

為確定獨(dú)柱墩單支座橋梁抗傾覆加固改造的整體方案（即只在一個(gè)中墩增設(shè)支座，還是在所有中墩均增設(shè)支座），選取南京市四跨一聯(lián)曲線型獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行分析對比，確定單支座混凝土箱梁的整體改造方案。

改造方案一：只在一個(gè)中間墩兩側(cè)增設(shè)支座，假定恒載作用下，僅原設(shè)計(jì)支座參與受力，在活載作用下，如外側(cè)傾覆，則內(nèi)側(cè)支座不受力，外側(cè)支座受力。支座受力如圖3 所示，抗傾覆驗(yàn)算見表1。

圖3 混凝土箱梁橋抗傾覆整體改造方案一示意圖

表1 混凝土箱梁橋抗傾覆改造方案一驗(yàn)算表

改造方案二：對三個(gè)中間墩兩側(cè)均增設(shè)支座，假定恒載作用下，僅原設(shè)計(jì)支座參與受力，在活載作用下，如外側(cè)傾覆，則內(nèi)側(cè)支座不受力，外側(cè)支座受力。支座受力如圖4 所示，抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果見表2。

圖4 混凝土箱梁橋抗傾覆整體改造方案二示意圖

表2 混凝土箱梁橋抗傾覆改造方案二驗(yàn)算表

對比以上方案：方案一獨(dú)柱墩間隔設(shè)置雙支座時(shí)，特征狀態(tài)1 與特征狀態(tài)2 的驗(yàn)算結(jié)果均不滿足規(guī)范要求；方案二獨(dú)柱墩均增設(shè)雙支座時(shí)，特征狀態(tài)1 驗(yàn)算結(jié)果顯示原支座滿足要求，特征狀態(tài)2 驗(yàn)算結(jié)果表明穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。通過以上計(jì)算分析還可以看出，對于特征狀況1 和特征狀態(tài)2 同時(shí)不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求時(shí)，可以通過在每個(gè)中間墩增設(shè)支座的方案進(jìn)行改造。

4.1 增設(shè)支座改造方案

在墩頂位置設(shè)置鋼抱箍，鋼抱箍與墩柱通過植入螺栓連接。鋼抱箍為兩塊半圓形的箍板，安裝時(shí)在箍板連接面處設(shè)置連接鋼板，采用連接螺栓連接。連接鋼板處設(shè)置肋板保證連接處的鋼板傳力安全。增設(shè)雙支座改造方案見圖5 和圖6。

圖5 增設(shè)雙支座改造示意圖（單位：cm）

圖6 增設(shè)雙支座改造后照片

4.2 增設(shè)雙支座對原橋梁結(jié)構(gòu)受力影響分析

以下選取橋墩受力較為不利的南京市長江大橋接線高架第一、二聯(lián)來分析增設(shè)支座對橋梁結(jié)構(gòu)的受力影響。長江大橋接線高架基本資料：設(shè)計(jì)荷載汽—20，掛—100，橋梁寬8 m，單向兩車道，墩高7.05～11.07 m，橋墩直徑1.4 m，橫梁寬高比4.34/1.36=3.19。

4.2.1 增加支座對橋墩受力影響分析

用Midas 軟件對橋墩增設(shè)雙支座的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖7 和圖8。

圖7 長江大橋接線橋第一聯(lián)使用階段正截面抗壓承載能力驗(yàn)算圖

圖8 長江大橋接線橋第二聯(lián)使用階段正截面抗壓承載能力驗(yàn)算圖

通過以上橋墩受力驗(yàn)算：橋墩使用階段的裂縫寬度小于0.1 mm，滿足規(guī)范要求；橋墩正截面抗壓承載能力滿足規(guī)范要求，且墩柱抗力富余較多，不需要對橋墩進(jìn)行加固。

4.2.2 增設(shè)支座對箱梁橫梁受力影響分析

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）8.3.1 條規(guī)定：當(dāng)橫隔梁寬高比Bw/h＜2 時(shí)，按鋼筋混凝土受彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型單元寬度參照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018） 附錄8.3.2 條規(guī)定，取3 倍橫梁腹板寬度，計(jì)算結(jié)果見圖9和圖10。

圖9 長江大橋接線橋7# 墩橫梁彎矩包絡(luò)圖

圖10 長江大橋接線橋7# 墩橫梁剪力包絡(luò)圖

通過以上驗(yàn)算，橫梁彎矩和剪力均滿足規(guī)范要求。

4.3 鋼箱梁花瓶墩改造方案

4.3.1 方案一

在箱梁外側(cè)增設(shè)上錨梁，通過高強(qiáng)螺栓與鋼箱梁連接，連接位置設(shè)置在箱梁腹板及挑梁下緣。腹板處高強(qiáng)螺栓可通過在腹板上開設(shè)手孔進(jìn)行安裝。在墩頂兩側(cè)增設(shè)下錨梁，通過植入螺桿與橋墩連接。上下錨梁間設(shè)置抗拉拔球形支座，新設(shè)支座設(shè)置在箱梁腹板位置。不對梁體進(jìn)行頂升，使新設(shè)支座僅承受活荷載作用產(chǎn)生的拉（壓）力。改造方案見圖11。

圖11 鋼箱梁橋花瓶墩增設(shè)雙支座改造示意圖（單位：mm）

（1）優(yōu)點(diǎn)

橋梁的抗傾覆性能提高明顯。（2）缺點(diǎn)

a. 新設(shè)支座受力較大。新設(shè)支座不僅受汽車偏載作用，還承受梯度溫度作用引起的次內(nèi)力。

b. 新設(shè)錨箱與箱梁及橋墩間的連接條件有限，箱梁處僅靠橫隔板相連傳力，橋墩處鋼牛腿懸臂受力較為不利。

c. 部分橋梁改造位置與既有起頂橫梁位置相沖突，后期支座更換麻煩，養(yǎng)護(hù)困難。

d. 改造費(fèi)用相對較高。

4.3.2 方案二

采用增設(shè)抗拉拔裝置對鋼箱梁橋抗傾覆進(jìn)行加固，拉拔裝置承載力根據(jù)橋梁抗傾覆性能需要確定?？估窝b置橫向位置與既有支座對齊，保證支座受力與理論一致。抗拉拔裝置分上下兩部分，通過植入錨栓與箱梁和橋墩連接。對于箱梁內(nèi)無壓重混凝土橋跨，在箱內(nèi)設(shè)置縱橫向格子梁與既有結(jié)構(gòu)連接，傳遞拉力。上下部分之間通過銷軸連接，銷軸局部切削以提高局部承壓能力。下拉桿開設(shè)長圓孔，使上下兩部分之間可水平自由變位，以適應(yīng)因溫度作用產(chǎn)生的箱梁縱、橫向水平位移，從而僅承受活載產(chǎn)生的支座脫空拉力。改造方案見圖12。

圖12 鋼箱梁橋增設(shè)抗拉拔裝置改造示意圖（單位：mm）

（1）優(yōu)點(diǎn)

a. 鋼箱梁受力更為合理。

b. 改造費(fèi)用低。

（2）缺點(diǎn)

與增設(shè)支座相比，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)略有降低。

綜合對比方案一和方案二的優(yōu)缺點(diǎn)，推薦采用增加抗拉拔裝置（方案二）來提高鋼箱梁花瓶墩的抗傾覆性能。

5 結(jié) 論

通過南京市已完成的城市獨(dú)柱墩橋梁的改造工程，得出以下主要結(jié)論：

（1）特征狀態(tài)1 不滿足規(guī)范的，可在梁底與橋墩之間設(shè)置抗拉拔裝置，使支座始終處于受壓狀態(tài)。

（2）特征狀態(tài)2 不滿足規(guī)范的，可在獨(dú)柱墩上采用鋼抱箍形式增加支座，提高橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)。

（3）特征狀態(tài)1 和特征狀態(tài)2 都不滿足規(guī)范的，混凝土箱梁可以通過在中間墩增加支座的方式進(jìn)行改造，鋼箱梁可以通過增設(shè)抗拉拔裝置進(jìn)行改造。