曲線獨柱墩橋梁傾覆原因及加固措施

易敬 周健瑋

（中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京 100088）

0 引言

獨柱墩橋梁一般在橋臺或過渡墩處設置雙支座，但為了增強橋下通透性并使橋下結構看起來更美觀，在跨中位置會采用單柱單支座的方式。從穩(wěn)定性上分析，在汽車偏載、離心力、徑向預應力等荷載作用下，會對墩柱墩橋梁整體結構的橫向抗傾覆穩(wěn)定性造成影響，甚至會導致主梁存在傾覆失穩(wěn)的可能。因此，對現役和在建公路獨柱墩橋梁橫向抗傾覆性能進行一次全面排查和評估，能夠有效預防傾覆事故的發(fā)生，具有較強的工程實際應用價值。

1 工程概況

某交叉匝道橋坐落于G75蘭海高速貴陽段，是一座現澆鋼筋混凝土連續(xù)曲線箱梁橋，跨徑組合為16m+5×22m+16m，橋梁全長166m。該橋橋臺處橫向設置雙支座，間距為2.9m；獨柱墩個數為6個，其中1號墩、6號墩為釋放墩，2號墩～5號墩為固結墩。

按貴州省人民政府《排查風險隱患橋梁》工作提示精神，相關部門對蘭海高速貴陽段公路獨柱墩橋梁實施了抗傾覆核查驗算，該橋加固前抗傾覆系數為1.2，存在支座脫空問題，不滿足規(guī)范要求，結果如表1所示。

表1 抗傾覆計算驗算結果

圖1 橋型布置圖

2 獨柱結構特點與傾覆原因分析

2.1 獨柱墩橋梁結構特點

采用整體截面支座支承（連續(xù)或簡支）的獨柱墩橋梁，其上部結構的側向傾覆穩(wěn)定性較差。其中，預制拼裝上部結構支座支承或墩梁固結的獨立柱墩橋梁，邊墩支座脫空或出現負反力是重點，而側向傾覆則非關注重點。從側向傾覆穩(wěn)定性的角度來看，支座支承的直線橋和曲線橋，兩者的受力特性有明顯區(qū)別。直線橋的主梁僅產生彎矩和豎向變形，而曲線橋則具有明顯的“彎扭藕合”特性。成橋狀態(tài)下的曲線橋，因聯端內外支座存在反力差，且平曲線半徑越小，聯端支座更易脫離正常受力狀態(tài)，故較直線橋存在初始扭轉效應，更易脫空。在整聯支座構成的支承面中，傾覆軸線是以最不利情況來確定。

2.2 獨柱墩橋梁傾覆原因

2.2.1 嚴重超載和集中偏載

相關調查結果表明，發(fā)生傾覆事故橋梁的實際荷載與設計荷載比值在1.88至3.27之間，壽命重載車輛的偏載作用是獨柱墩橋梁傾覆的重要原因。

2.2.2 支承間距較小

發(fā)生傾覆事故的橋梁，基本都是采用聯端橫向雙支座支承+聯中單支座支承的整體式箱梁橋，橋梁寬度與多支承間距比較大，在外部不利荷載的作用下，很容易發(fā)生傾覆現象。

3 抗傾覆加固方案

3.1 抗傾覆加固原則

在設計抗傾覆加固方案時，應結合獨柱墩橋梁傾覆特征狀態(tài)、橋梁地理位置及自然環(huán)境，在滿足提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定性能的前提下，確保其安全可靠、造價合理、施工便捷，同時須將抗傾覆整改加固施工對交通通行的影響降到最低。

3.2 常用抗傾覆加固措施

根據獨墩柱橋梁傾覆特征狀態(tài)，目前常用的抗傾覆加固措施主要有4種，分別是設置抗拉拔裝置；新增輔助橋墩；增大橋墩截面，改單支承為多支承；加鋼蓋梁，改單支承為多支承。上述4種常用抗傾覆措施的特點及適用條件如表2所示。

表2 常用抗傾覆加固措施對比

3.3 抗傾覆加固方案確定

根據類似項目以往常規(guī)通用的抗傾覆加固措施，結合橋梁所處地理位置，本次獨柱墩橋梁抗傾覆加固方案為：在原1號、6號獨柱墩墩頂增設鋼蓋梁，將單點支承調整為橫向三點支承，設置支承間距為140cm，并在橋臺處增加拉拔裝置，如圖2和圖3所示。

圖2 加固方案構造圖（單位：cm）

圖3 支座布置平面圖

3.4 抗傾覆加固施工流程

根據橋梁實際狀況，并結合交通需求，抗傾覆加固施工具體步驟如下：中橫梁底板黏貼鋼板；安裝梁底調平鋼板；安裝吊裝鋼結構蓋梁半結構；安裝支座；調節(jié)梁底調平鋼板螺母，保證調平鋼板與支座之間的預壓力不低于5kN；增設支座脫空抗拉拔裝置；采用聚合物改性水泥砂漿填充梁底調平鋼板與梁底之間的間隙。

4 抗傾覆加固后計算

4.1 結構計算分析指標

4.1.1 永久作用

（1）結構自重

①一期恒載：自重系數-1.04。

②二期恒載：橋面鋪裝、護欄。

（2）徐變收縮

由程序自動計算各構件的理論厚度。

（3）支座沉降

沉降值△=0.01m。

4.1.2 可變作用

（1）溫度作用

溫度采用原設計體系升溫、降溫為25℃，溫度梯度按照規(guī)范取值。

（2）汽車荷載

原設計荷載等級。

4.2 整體計算

整體計算模型如圖4所示。

圖4 計算模型

采用鋼蓋梁+拉拔裝置加固后，支座始終保持受壓狀態(tài)，未發(fā)生脫空，特征狀態(tài)1滿足規(guī)范要求，如表3所示；最小抗傾覆穩(wěn)定性系數為3，特征狀態(tài)2滿足規(guī)范要求，如表4所示。

表3 特征狀態(tài)1 驗算結果

表4 特征狀態(tài)2 驗算結果

4.3 鋼支撐局部驗算

采用有限元計算支座間距1.4m鋼支承，鋼板最大受力強度239MPa，小于Q420鋼材380MPa要求，計算結果如圖5所示。

圖5 鋼支承靜力分析結果圖（MPa）

4.4 拉拔裝置驗算

由于該橋2號墩～5號墩為固結墩，且處于曲線上，為防止該橋出現不滿足特征狀態(tài)1的情況，特在橋臺處設置了抗拉拔裝置。整體計算得知，該橋橋臺處最大脫空力為49.5kN，該橋設置的拉拔裝置可抵抗500kN拉拔力，現按照500kN拉拔力計算驗證裝置，結果如圖6所示。

圖6 拉拔裝置靜力分析結果圖（MPa）

4.5 橫隔梁驗算

由于底板橫隔梁經加固后，由單支點受力轉化為三支點，改變了橫隔梁受力方式，因此驗算需要底板橫隔梁。

該橋以跨中斷面控制計算，安全等級為I級。計算模型如圖7所示，共劃分為16個單元、17個節(jié)點。計算中，筆者考慮了結構自重、橫向預應力、二期恒載、均勻溫度（升溫25°C，降溫25°C）、梯度溫度（橋面板上下側溫差5°C）、收縮徐變、汽車荷載（計入沖擊系數為1.2），計算中未考慮主梁縱向對橫向內力的影響，計算工況如表4所示。

圖7 加固前后底板橫隔梁支承方式

表4 各工況下車輪荷載值

4.5.1 加固后三支點極限承載力驗算

加固后橫隔板處改成三支點受力，橫隔板彎矩包絡圖如圖8所示，抗彎承載力極限滿足規(guī)范要求。

圖8 加固后橫隔板彎矩包絡圖（KN.m）

4.5.2 加固后三支點標準應力組合驗算

加固后橫隔板標注組合下應力包絡圖如圖9所示，應力驗算跨中出現最大拉應力0.6Mpa，小于C50混凝土開裂強度1.89Mpa，滿足規(guī)范要求。

圖9 加固后下緣應力圖（MPa）

5 結束語

我國部分地區(qū)的獨柱墩橋梁因建設較早且存量較大，在建設過程中沒有采取有效對策，致使其中一些獨柱墩橋梁的抗傾覆性能達不到現行規(guī)范要求，獨柱墩橋梁總體抗傾覆能力還有待提高。因此，加強對獨柱墩橋梁養(yǎng)護管理，對現役和在建公路獨柱墩橋梁開展一次全面排查，保障獨柱墩橋梁運行安全應是橋梁養(yǎng)護管理人員重點關注的問題。本文分析了獨柱墩橋梁的結構特點及橫向傾覆原因，并在此基礎上結合工程實例，提出了獨柱墩抗傾覆加固方案，驗算了加固后橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性和局部構造，可為同類型工程提供有效借鑒。