獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆性分析與加固設(shè)計(jì)

李琛，陳緒棟

（1.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430023；2.陽新縣交通運(yùn)輸局，湖北 黃石 435200）

獨(dú)柱墩橋梁由于其經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境適應(yīng)性較好的優(yōu)點(diǎn)，在早期橋梁設(shè)計(jì)中被大量采用，但近年來該類橋梁傾覆事故頻發(fā)，造成嚴(yán)重的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失，尤其是在2021 年12 月湖北鄂州境內(nèi)滬渝高速匝道橋發(fā)生傾覆事故后，獨(dú)柱墩再次得到社會(huì)的廣泛關(guān)注。1980 年，斯特里特在分析橋梁的傾覆時(shí)，首次提出了穩(wěn)定系數(shù)法[1]。隨后的一百多年中，國內(nèi)外以此作為理論依據(jù)進(jìn)行研究，如馮睿為[2]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)我國現(xiàn)行規(guī)范中存在一些條文問題，并以實(shí)際工程為依據(jù)提出了一些抗傾覆的建議。秦延飛、楊澤偉[3]經(jīng)過數(shù)值模擬具體分析廣東省某橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性，提出了用三支座鋼蓋梁方案代替獨(dú)柱墩單支座方案，經(jīng)過驗(yàn)算該方案能顯著提高箱梁抗傾覆穩(wěn)定性。本文以廣東某高速公路匝道橋?yàn)閷?shí)例，按照廣東省地方相關(guān)文件和國家規(guī)范，進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性分析，經(jīng)過驗(yàn)算，原設(shè)計(jì)不滿足相關(guān)要求，經(jīng)過多個(gè)加固方案對(duì)比后，確定了最終能滿足相關(guān)要求的加固方案，能為同類型橋梁獨(dú)柱墩加固作參考。

1 工程概況

祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋位于廣東某高速公路互通內(nèi)，施工圖設(shè)計(jì)日期為2002 年，全橋共一聯(lián)（16+2×20+16）m，橋面布置為：防撞護(hù)欄（0.5m）+11m（行車道）+防撞護(hù)欄（0.5m）。箱梁為單箱雙室截面，頂板寬度為12m，底板寬度7m，懸臂2.5m，直腹板，梁高1.1m，下部為柱式墩和獨(dú)立基礎(chǔ)，全橋均采用板式支座，由于1～3 號(hào)墩采用獨(dú)柱墩，故需對(duì)整橋進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算。祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋原設(shè)計(jì)平立面和剖面圖如圖1 所示。

圖1 祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋原設(shè)計(jì)平立面和剖面圖

2 原設(shè)計(jì)模型抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

2.1 計(jì)算依據(jù)

根據(jù)《廣東省高速公路獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋橫向抗傾覆安全性評(píng)估驗(yàn)算指導(dǎo)意見》（簡稱《指導(dǎo)意見》）多車道布載規(guī)定：當(dāng)橫橋向僅布置一條車道汽車荷載時(shí)，其橫向車道布載系數(shù)采用1.0，汽車荷載效應(yīng)（含汽車沖擊力）分項(xiàng)系數(shù)采用3.4。當(dāng)布置一條以上車道汽車荷載時(shí)，最外側(cè)車道汽車荷載效應(yīng)（含汽車沖擊力）分項(xiàng)系數(shù)采用3.4，其余車道分項(xiàng)系數(shù)按現(xiàn)行規(guī)范采用，全部車道的橫向車道布載系數(shù)均按現(xiàn)行規(guī)范采用。

2.2 模型建立

采用Midas Civil 2022 有限元軟件建立祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋原設(shè)計(jì)上構(gòu)模型，分析該獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性。上部結(jié)構(gòu)主梁采用C40 等級(jí)混凝土，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為18.4Mpa，彈性模量為3.25×104Mpa，容重為26KN/m3；二期恒載：單側(cè)防撞欄9.3kN/m，橋面鋪裝：100mm 厚瀝青混凝土，容重24KN/m3；重力等效系數(shù)：-1.04；系統(tǒng)溫度：±25℃；溫度梯度：±5℃；由于其為既有老橋，故支座沉降選取0。橋梁其余相關(guān)參數(shù)按照國家現(xiàn)有規(guī)范選取。由于混凝土連續(xù)梁橋的預(yù)應(yīng)力布置形式對(duì)支座的反力影響較大，模型中未施加預(yù)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致該處反力偏大，從而導(dǎo)致抗傾覆系數(shù)偏大，模型失真，故預(yù)應(yīng)力的施加應(yīng)該按照實(shí)際情況考慮。原設(shè)計(jì)模型如圖2 所示。

圖2 祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋原設(shè)計(jì)計(jì)算模型

2.3 驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算模型和上文中提到的相關(guān)文件要求的結(jié)果可知：

（1）支座脫空驗(yàn)算：在基本組合作用下，大小樁號(hào)側(cè)橋臺(tái)支座均出現(xiàn)脫空情況，不滿足相關(guān)要求。

（2）結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算：汽車荷載效應(yīng)（含汽車沖擊力）分項(xiàng)系數(shù)采用3.4，在移動(dòng)荷載處于最不利的情況下，驗(yàn)算得到抗傾覆系數(shù)為2.02，小于規(guī)范下限值2.5，故不滿足規(guī)范要求。

綜上所述，祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋原設(shè)計(jì)計(jì)算模型抗傾覆穩(wěn)定性均不滿足規(guī)范要求，橋梁可能發(fā)生梁片傾覆、支座擠出、橋墩側(cè)傾等安全事故，為了消除相關(guān)安全隱患，需對(duì)既有橋梁進(jìn)行加固處理。

3 獨(dú)柱墩加固方案設(shè)計(jì)

針對(duì)祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋獨(dú)柱墩處理方案可以從結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩個(gè)方面考慮：（1）減小移動(dòng)荷載偏心作用，如對(duì)車輛進(jìn)行限高通行，減小汽車荷載；將多車道改為單車道，減少車輛偏心距。但是此方法僅適用于通行需求不高的路段，對(duì)于高速公路，此方法會(huì)嚴(yán)重阻礙交通運(yùn)輸，因此不推薦。（2）從橋梁設(shè)計(jì)抗傾覆原理出發(fā)，增加梁體抗傾覆能力，如增加梁端自重、在梁端增加抗拔措施、將單支座系統(tǒng)改為墩梁固結(jié)和單支座改為三支座等方法。

由于增加梁端自重對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力不利，同時(shí)受到地基承載力等因素的限制，故在此橋中不予考慮；對(duì)于增加抗拔措施，由于會(huì)破壞梁體或者橋臺(tái)的整體，而且其效果受到施工質(zhì)量影響較大，故在此不推薦使用；對(duì)于將單支座系統(tǒng)改為墩梁固結(jié)，理論上是可以解決上構(gòu)梁體傾覆的問題，該方法也比較經(jīng)濟(jì)，但是由于改變了整體受力體系，同時(shí)對(duì)于較高的橋墩，下部會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩影響其受力，故此方法也不推薦使用。綜上所述，本文推薦采用單支座改為三支座的獨(dú)柱墩加固方法，常見的具體方案如下：

方案一：增加支撐墩，在獨(dú)柱墩基礎(chǔ)側(cè)增加滿足地基承載力要求的基礎(chǔ)，直接增設(shè)鋼管支頂，將C40 微膨脹混凝土灌注在鋼管內(nèi)，在鋼管頂部設(shè)置支座，同時(shí)在新老墩柱間橫向增加鋼系梁。使用支撐墩方案加固后的效果圖如圖3 所示。此方法大大增加支座間距，故對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)有較大提高，與此同時(shí)，由于直接增加了墩柱和基礎(chǔ)導(dǎo)致支座反力被重新分配，減小了既有橋墩和基礎(chǔ)的受力，同時(shí)增加橫向聯(lián)系后也提高了墩柱的整體性能，大幅提高結(jié)構(gòu)整體性。但是由于新增加基礎(chǔ)會(huì)影響到既有基礎(chǔ)的地基承載力，故導(dǎo)致墩間不能過小，因此該方法不適宜于橋面寬度較小的橋梁，考慮到該加固方案的造價(jià)較高以及需要阻斷交通等因素，故此加固方案不采用。

圖3 支撐墩方案加固后的效果圖

方案二：獨(dú)柱墩處增設(shè)鋼蓋梁，將預(yù)制完成的鋼蓋梁錨固于獨(dú)柱墩頂部，同時(shí)在兩側(cè)設(shè)置與原設(shè)計(jì)同類型的支座，相關(guān)尺寸大小根據(jù)橋墩、基礎(chǔ)、支座類型和抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果等因素確定，使用鋼蓋梁方案加固后的效果圖如圖4 所示。由于此方案采用鋼結(jié)構(gòu)，具有施工速度快、對(duì)橋墩基礎(chǔ)影響不大、經(jīng)濟(jì)性良好、對(duì)交通影響小等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也適合于橋面寬度較小的橋梁。缺點(diǎn)就是長時(shí)間后容易掉漆生銹，需要定期檢查和補(bǔ)漆。

圖4 鋼蓋梁方案加固后的效果圖

綜合抗傾覆效果性、經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)影響性等各方面因素考慮，建議本橋采取鋼蓋梁方案加固。

4 加固方案及加固前后抗傾覆穩(wěn)定性對(duì)比

根據(jù)上下構(gòu)以及基礎(chǔ)各部件的受力驗(yàn)算及方案對(duì)比得到最終的加固方案：（1）由于該橋2 號(hào)墩位于高速公路中分帶，施工對(duì)交通影響較大，故只在1、3 號(hào)墩處設(shè)置鋼蓋梁，加固后的三支座間距為2m，橋臺(tái)處不做方案調(diào)整。（2）由于加固后的獨(dú)柱墩受到傾覆力矩的影響，在三支座的作用下處于偏心受壓狀態(tài)，既有獨(dú)柱墩尺寸不滿足受力要求，故將墩柱尺寸由140cm加固為180cm。（3）地基承載力在加固后滿足受力要求，故基礎(chǔ)不做調(diào)整。

基于原設(shè)計(jì)模型，修改相關(guān)參數(shù)后，加固后的模型如圖5 所示。由于鋼蓋梁支座為后期安裝支座，故只有梁體發(fā)生傾斜時(shí)候，該支座才參與受力，故在橋梁加固前后驗(yàn)算抗傾覆穩(wěn)定性的過程中，鋼蓋梁處支座的永久作用標(biāo)準(zhǔn)值為0。

圖5 鋼蓋梁方案加固設(shè)計(jì)后的計(jì)算模型

加固前后驗(yàn)算結(jié)果如下表1 所示：

表1 鋼蓋梁方案加固前后驗(yàn)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)上表可知，加固處理后的梁體在經(jīng)過支座脫空驗(yàn)算和抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算后，其結(jié)構(gòu)安全性均得到大幅提高，滿足按照《指導(dǎo)意見》和《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）的相關(guān)要求。

5 結(jié)論

本文以實(shí)際獨(dú)柱墩橋梁為例子，根據(jù)廣東省地方要求和國家現(xiàn)有規(guī)范，使用Midas Civil 2022 有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析加固前后的驗(yàn)算結(jié)果，并提出相關(guān)加固措施的對(duì)比方案，得到以下幾個(gè)方面的結(jié)論：

（1）根據(jù)原設(shè)計(jì)模型驗(yàn)算結(jié)果表明，祥周樞紐互通式立體交叉B 匝道橋支座脫空驗(yàn)算和抗傾覆穩(wěn)定性不滿足相關(guān)規(guī)定，需要進(jìn)行加固處理；

（2）結(jié)合該橋梁實(shí)際情況，對(duì)比分析了四類加固方案，最終得到鋼蓋梁方案為最優(yōu)方案；

（3）根據(jù)加固后模型驗(yàn)算結(jié)果顯示，鋼蓋梁方案能大幅提高獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性能力。