獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆改造加固技術(shù)研究

羅定倫

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160)

0 引言

基于獨(dú)柱墩橋梁的以上現(xiàn)狀，許多學(xué)者對(duì)獨(dú)柱墩的抗傾覆穩(wěn)定性和改造加固進(jìn)行了研究。鄒志翔等[1]對(duì)鋼混組合梁橋獨(dú)柱墩抗傾覆性能進(jìn)行了研究，研究后認(rèn)為：獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)隨曲率半徑的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，小半徑橋梁穩(wěn)定性最強(qiáng)，直線橋次之，大半徑橋梁穩(wěn)定性最差；增大支座間距及合理設(shè)置支座偏心距，可有效提高橋梁的抗傾覆能力；車(chē)速越大，橋梁穩(wěn)定性越差。游科華[2]通過(guò)建立有限元模型，對(duì)其進(jìn)行了抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算及加固設(shè)計(jì)，研究了將中墩單點(diǎn)支承改為多點(diǎn)支承加固方法中加固橋墩個(gè)數(shù)、新增支座與原支座間距對(duì)橋梁抗傾覆穩(wěn)定性及中墩受力的影響。魏吉明[3]對(duì)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行研究后提出了增設(shè)抗扭拉桿裝置、增設(shè)支座與蓋梁、改造橋墩結(jié)構(gòu)、增加支座間距等獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性改造方案。魯昌河等[4]在對(duì)獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋抗傾覆驗(yàn)算與加固分析研究時(shí)，也提出了類(lèi)似的獨(dú)柱墩改造加固方案。陳雪芬[5]結(jié)合具體的工程實(shí)例對(duì)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和加固改造設(shè)計(jì)。王強(qiáng)[6]采用Midas Civil 2015 建立模型，對(duì)曲線獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，研究后認(rèn)為：嚴(yán)控橋面負(fù)載過(guò)大是保證橋梁結(jié)構(gòu)安全、提高橋梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要舉措，需采取限制超載的措施，如采取臨時(shí)護(hù)欄等措施使車(chē)輛盡量位于箱梁中心線附近，以確保獨(dú)柱墩橋梁的安全，防止其傾覆。聶載東等[7]對(duì)事故車(chē)輛施救這一特殊工況下獨(dú)柱墩匝道橋傾覆穩(wěn)定性研究，該研究給獨(dú)柱墩穩(wěn)定性分析與改造提供了一個(gè)容易被忽略的因素。

1 獨(dú)柱墩橋梁傾覆特征分析

根據(jù)對(duì)獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故的總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)獨(dú)柱墩橋梁傾覆往往具有以下特征。

1.1 梁截面形式特點(diǎn)

在已發(fā)生的獨(dú)柱墩橋梁橫向傾覆案例中，橋梁截面形式多為整體式箱梁。采用箱梁建造橋梁具有結(jié)構(gòu)自重輕、材料省、施工簡(jiǎn)，并且能提供較大抗彎剛度等優(yōu)點(diǎn)，所以，在連續(xù)梁橋中常采用箱梁截面形式。

1.2 支承形式特點(diǎn)

在已發(fā)生的獨(dú)柱墩橋梁橫向傾覆案例中橋梁在過(guò)渡墩和橋臺(tái)為采用雙支座，而在跨中橋墩處則為單支座。支座多采用單向受壓支座、固定支座和活動(dòng)支座配合工作的形式，這有利于橋梁縱向水平力的傳遞，但橫向抗傾覆穩(wěn)定性富余較少。

1.3 破壞特點(diǎn)

從已發(fā)生的獨(dú)柱墩橋梁橫向傾覆案例中發(fā)現(xiàn)，獨(dú)柱墩傾覆前橋梁明顯變形往往突然發(fā)生。獨(dú)柱墩傾覆時(shí)橋梁上車(chē)載較重，偏心荷載大，與橋梁設(shè)計(jì)時(shí)考慮的荷載有一定差異。但是，獨(dú)柱墩橋梁傾覆時(shí)，常呈現(xiàn)出橋梁梁部整體傾覆，而梁部結(jié)構(gòu)本身破壞較少，表明梁部結(jié)構(gòu)自身的抗壓、抗拉承載能力仍在設(shè)計(jì)控制范圍內(nèi)。

2 獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性影響因素研究

2.1 支座橫向間距影響

橋梁支座橫向間距較大時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的重力可以提供較大的抗傾覆力矩，阻止橋梁在受到較大偏心荷載時(shí)出現(xiàn)傾覆。但是，部分獨(dú)柱墩橋梁采用單支座，其橫向抗傾覆穩(wěn)定性效果較差。部分橋梁獨(dú)柱墩采用雙支座，但限于獨(dú)柱墩頂部尺寸較小，支座間的橫向間距較小，橋梁在汽車(chē)荷載偏載作用時(shí)能夠抗傾覆的彎矩也較小，抗傾覆穩(wěn)定性相對(duì)較差。

2.2 橋梁半徑的影響

由于獨(dú)柱墩具有占地少的優(yōu)點(diǎn)，所以獨(dú)柱墩常用在市政橋梁的匝道橋與引橋、高速公路的匝道橋等對(duì)空間占用要求比較高的場(chǎng)所。但是，在這些情況下，獨(dú)柱墩橋梁常采用半徑較小的曲線橋，而其上箱梁的彎扭耦合效應(yīng)增大，致使箱梁受力后內(nèi)外側(cè)撓度差異變大，外側(cè)撓度明顯大于內(nèi)側(cè)，導(dǎo)致獨(dú)柱墩橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性出現(xiàn)較大幅度的降低，使獨(dú)柱墩橋梁所受偏心荷載作用效果增強(qiáng)，更易在偏心荷載作用下發(fā)生傾覆。

綜上所述，農(nóng)村人飲工程應(yīng)以確保農(nóng)民群眾飲水安全為目的，以?xún)?yōu)質(zhì)供水服務(wù)為宗旨，按照成本水價(jià)進(jìn)行供水、計(jì)量收費(fèi)，使其符合社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制。在農(nóng)村人飲工程的管理過(guò)程中，應(yīng)從加大宣傳力度，做好工程設(shè)計(jì)、健全法律法規(guī)，完善水價(jià)政策、創(chuàng)新管理方法，發(fā)揮群眾作用、構(gòu)建管理機(jī)制，保證飲水安全等方面入手，確保人飲工程的可持續(xù)性發(fā)展。

2.3 邊中跨比的影響

相關(guān)研究表明，多跨獨(dú)柱墩橋梁隨著邊中跨比n減小，獨(dú)柱墩橋梁端支座處由永久作用產(chǎn)生的受壓儲(chǔ)備降低，箱梁橋的抗傾覆性能也降低[8]。

3 獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性改造加固技術(shù)研究

3.1 改變梁墩連接形式

改變獨(dú)柱墩橋梁中的橋墩與上部結(jié)構(gòu)的連接方式，去掉獨(dú)柱墩上的支座，直接把獨(dú)柱墩與上部結(jié)構(gòu)固結(jié)。

改變梁墩的連接形式后，梁墩形成剛結(jié)超靜定結(jié)構(gòu)，提高了梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性，提高后能否滿(mǎn)足極端情況下的抗傾覆穩(wěn)定性要求需要根據(jù)梁的高度、寬度以及能引起傾覆的截面大小和作用位置開(kāi)展驗(yàn)算。這種改造模式，使獨(dú)柱墩的受力狀態(tài)由受壓為主改變?yōu)閺潐航Y(jié)合的受力狀態(tài)，這需要對(duì)獨(dú)柱墩在可能傾覆的極限狀態(tài)下的抗彎承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算通過(guò)后方可采用此種抗傾覆穩(wěn)定性改造加固技術(shù)。

通過(guò)改變梁墩連接形式提高獨(dú)柱墩抗傾覆穩(wěn)定性操作較簡(jiǎn)單，所需材料較少，工期短，因而具有費(fèi)用低等顯著特點(diǎn)。通過(guò)測(cè)算，采用此技術(shù)批量開(kāi)展獨(dú)柱墩抗傾覆改造加固技術(shù)，平均單墩處理費(fèi)用約2萬(wàn)元。

3.2 變單支座為雙支座

獨(dú)柱墩如采用單支座布置形式，可改造成雙支座，這樣橋梁的抗傾覆穩(wěn)定力矩增加，抗傾覆穩(wěn)定性增加，如圖1所示。

通過(guò)把獨(dú)柱墩單支座布置改造成雙支座布置，工程量小，批量改造加固時(shí)造價(jià)約3萬(wàn)元。但是，新的支座作用處(圖1中加固改造后支座上方黑色條部分)的梁在原始設(shè)計(jì)時(shí)，不位于支座對(duì)應(yīng)位置，未考慮支座加強(qiáng)，應(yīng)在改造時(shí)予以加強(qiáng)。

3.3 增大獨(dú)柱墩橋梁墩臺(tái)雙支座橫向間距

獨(dú)柱墩橋梁一般在橋臺(tái)及部分墩處會(huì)采用雙支座布置。通過(guò)增大原雙支座之間的橫向距離，可以在一定程度上提高抗傾覆力矩，減少傾覆力矩，從而實(shí)現(xiàn)提高獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性的目的。

當(dāng)單支座獨(dú)柱墩橫橋方向尺寸不足，難以改造成雙支座時(shí)，或受墩頂部尺寸限制難以增大雙支座間距時(shí)，可以通過(guò)加寬獨(dú)柱墩橫橋方向的尺寸，使其能夠施作雙支座，如圖2所示。

如前述兩種方法均不宜采用時(shí)，可考慮在原獨(dú)柱墩兩側(cè)新建兩個(gè)獨(dú)立墩柱，形成三墩柱三支座形式，如圖3所示。

增大原雙支座之間的橫向距離，不改變梁墩受力形式，簡(jiǎn)單易行，費(fèi)用較少。但是由于墩頂布置場(chǎng)地限制，增大的支座橫向間距量值有限，因此，提高抗傾覆穩(wěn)定性量值也有限。如果采用圖2所示方法增大獨(dú)柱墩寬度以增大雙支座間距，則費(fèi)用需要增加。同時(shí)，梁在與支座接觸處一般都進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)，增大支座橫向間距后，新的支座所對(duì)應(yīng)的梁底部分原設(shè)計(jì)中一般是沒(méi)有進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)的，這時(shí)，需要通過(guò)增設(shè)墊板、減少梁底板應(yīng)力(圖2、圖3中支座上方黑色條狀部分)等措施進(jìn)行加強(qiáng)。

為了避免雙支座在橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)產(chǎn)生不均勻沉降，通過(guò)增大獨(dú)柱墩寬度以增大雙支座間距改造后的雙支座均應(yīng)置于加寬部分處(圖2中斜線填充部分處)，同時(shí)，加寬部分的橋墩應(yīng)與原橋墩置于同一基礎(chǔ)之上。

獨(dú)柱墩采用三墩柱三支座改造加固方案后能顯著提高橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性，并能提高橋梁的豎向承載能力。但由于增建了兩個(gè)墩柱，如原基礎(chǔ)寬度不夠還需要增建基礎(chǔ)，因此費(fèi)用較高。同時(shí)，還需采用技術(shù)措施，確保三根墩柱在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)變形一致、協(xié)同工作。

3.4 增加橋墩數(shù)，減少橋梁跨度

如在獨(dú)柱墩頂增加支座數(shù)量或者增加支座間距難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，可在縱向兩獨(dú)柱墩之間增設(shè)橋墩。增設(shè)橋墩一方面可以減少橋梁跨度，另一方面可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)新建橋墩的結(jié)構(gòu)與支座，進(jìn)一步增強(qiáng)獨(dú)柱墩橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性。

增加橋墩數(shù)方案需要新建橋墩基礎(chǔ)、橋墩、支座及對(duì)支座與梁底接觸處予以加強(qiáng)，所以費(fèi)用較高，具體費(fèi)用需要根據(jù)具體工作量確定。同時(shí)，新建橋墩時(shí)，應(yīng)考慮新舊橋墩基礎(chǔ)修建時(shí)間不一致可能引起的不均勻沉降。一般新建橋墩沉降會(huì)大一些，應(yīng)通過(guò)適當(dāng)技術(shù)減少新建橋墩可能產(chǎn)生的沉降。新建的橋墩可采用獨(dú)柱墩雙支座或雙柱墩等形式，以增加橋梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性。增加橋墩數(shù)能從根本上解決獨(dú)柱墩橋梁橫向傾覆問(wèn)題，但是投入資金較多，需要與其他獨(dú)柱墩改造加固技術(shù)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析。

3.5 增設(shè)蓋梁、支座

在獨(dú)柱墩頂部加裝組合鋼蓋梁，在蓋梁上設(shè)置間距相對(duì)較遠(yuǎn)的雙支座，也可保留原來(lái)的單支座，形成三支座的布置形式(見(jiàn)圖4，粗線網(wǎng)格為增設(shè)鋼蓋梁)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高獨(dú)柱墩橫向抗傾覆穩(wěn)定性的目的。

獨(dú)柱墩增設(shè)鋼蓋梁、支座抗傾覆改造加固技術(shù)目前已有應(yīng)用。增設(shè)的鋼蓋梁可以模塊化設(shè)計(jì)、制作和安裝，批量生產(chǎn)時(shí)可降低生產(chǎn)成本、加快施工進(jìn)度。

鋼蓋梁施作后，對(duì)于支座的處理也較靈活。第1種方案，可以保留原來(lái)的支座而在其兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置兩個(gè)新的支座，如圖4所示。這樣做不需要改變?cè)械闹ё挥绊懺ё恼Ｊ褂?，改造加固時(shí)不需要對(duì)獨(dú)柱墩橋梁的交通產(chǎn)生影響，而新增設(shè)兩個(gè)支座、形成三支座共同工作后可以明顯提高獨(dú)柱墩橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性。支座處理的第2種方案是把原來(lái)的單支座變?yōu)殡p支座，第3種方案是把原來(lái)的雙支座變?yōu)殚g距更大的雙支座。這兩種方案由于需要改變?cè)兄ё奈恢?，都?huì)在改造加固時(shí)期對(duì)獨(dú)柱墩橋梁的交通運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生一定的影響，但都能對(duì)獨(dú)柱墩橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性起到提高作用，其他分析與本文3.2節(jié)和3.3節(jié)所述相同，在此不再贅述。

增設(shè)的蓋梁采用鋼材，強(qiáng)度高、相對(duì)質(zhì)量輕，一般蓋梁增設(shè)引起的獨(dú)柱墩豎向荷載的增加都能保證在獨(dú)柱墩的承載能力范圍之內(nèi)。但是，在需要預(yù)防的極端偏心荷載可能引起的獨(dú)柱墩傾覆時(shí)，獨(dú)柱墩橋墩受力與改造之前的受力狀態(tài)有較大不同，主要是在鋼蓋梁與獨(dú)柱墩接觸的上下接觸點(diǎn)有較大的水平力，如圖5所示。

圖5左側(cè)圖表示在極端偏心荷載作用下，增設(shè)的鋼蓋梁相當(dāng)于在支座處受到了一個(gè)偏心集中力的作用，這個(gè)偏心集中力通過(guò)鋼蓋梁傳遞給獨(dú)柱墩后使橋墩在與鋼蓋梁的上下接觸點(diǎn)處分別受到一對(duì)方向相反的集中力的作用(為了研究方便，主要示意橋墩水平受力并做了一定簡(jiǎn)化)。獨(dú)柱墩所受到的兩個(gè)水平集中力，一方面使橋墩在與鋼蓋梁接觸點(diǎn)處的應(yīng)力較大，改造加固設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)橋墩進(jìn)行保護(hù)；另一方面，兩個(gè)水平集中力形成一個(gè)力矩，使獨(dú)柱墩由原來(lái)的受壓為主變?yōu)槭軌号c受彎相結(jié)合的狀態(tài)，改造加固設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證獨(dú)柱墩本身在新的受力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)語(yǔ)

橋梁采用獨(dú)柱墩形式具有美觀、節(jié)約空間等優(yōu)點(diǎn)，但隨著交通量的增加和車(chē)輛載重量的增加，獨(dú)柱墩極易發(fā)生橫向傾覆事故。為了確保公眾的生命財(cái)產(chǎn)安全、確保橋梁結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)對(duì)獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行抗傾覆改造加固，以適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆改造加固可采用改變墩梁聯(lián)結(jié)形式、增加支座數(shù)、增加支座間距、增加橋墩和增設(shè)鋼蓋梁等技術(shù)方案。采用的抗傾覆改造加固技術(shù)首先應(yīng)能提高橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性，然后需要考慮改造加固對(duì)原有橋梁體系的影響，并采取相應(yīng)措施減少相關(guān)不利影響。在獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆改造加固時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，采用合理的改造加固技術(shù)。