某城市獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆加固設(shè)計(jì)研究

作者簡介：

周 晨（1984—），碩士，高級工程師，主要從事城市橋梁設(shè)計(jì)及加固工作。

摘要：文章結(jié)合獨(dú)柱墩橋梁加固工程的實(shí)際項(xiàng)目，提出相應(yīng)的獨(dú)柱墩抗傾覆加固方式及施工過程中的質(zhì)量控制要點(diǎn)，并對加固后的橋梁支座反力進(jìn)行監(jiān)測，驗(yàn)證了理論分析和加固方案的可行性，為今后獨(dú)柱墩橋梁加固設(shè)計(jì)及施工提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：獨(dú)柱墩橋梁；抗傾覆驗(yàn)算；加固設(shè)計(jì)

中圖分類號：U443.2 A 43 136 3

0 引言

在城市高架、立交匝道橋等橋梁工程建設(shè)中，獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋憑借其自身的很多優(yōu)勢，如占地面積小、能夠有效節(jié)約城市用地；橋下視野開闊，對橋下交通影響很小；下部結(jié)構(gòu)工程量小、造價低；偏置獨(dú)柱墩可以改善曲線彎橋的受力情況、增加橋梁整體穩(wěn)定性等，使其得到了廣泛應(yīng)用。但獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故時有發(fā)生，不僅造成了人員傷亡，還造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，給社會發(fā)展帶來了不利影響。分析事故原因可知，直接原因均是嚴(yán)重超載，且事故橋梁均為相似的單支點(diǎn)支撐方式。因此，對于橋梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性問題，尤其是針對獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆性能的研究評估，顯得越來越緊迫［1-2］。

現(xiàn)行的《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》（JTG3362-2018）中，對結(jié)構(gòu)體系采用整體式箱形截面連續(xù)梁橋的傾覆破壞全過程明確了兩個逐漸遞進(jìn)的特征狀態(tài)，并對抗傾覆穩(wěn)定性能做出了明確的要求［3-4］。通過對原有獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行抗傾覆分析評估，并根據(jù)評估結(jié)果采取相應(yīng)的加固改造措施，使其能繼續(xù)使用，最大程度減小對城市已有交通的影響，不僅可以繼續(xù)使用原有橋梁，避免橋梁重建所需付出的巨大成本，提高城市已建橋梁運(yùn)營期間的安全性能，消除安全隱患，也能保障城市交通的正常運(yùn)行，保障人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全，符合低碳、和諧社會發(fā)展的要求［5］。

1 工程概況

該城市跨線橋?yàn)殡p幅橋面布置，平面位于直線段上，橫斷面布置為0.5 m（防撞護(hù)欄）+12.25 m（行車道）+0.75 m（防撞護(hù)欄）+0.5 m（中分帶）+0.75 m（防撞護(hù)欄）+12.25 m（行車道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）=27.5 m（總寬）。兩幅橋均為三跨一聯(lián)，錯幅布置，跨徑布置為（26.2+28.5+24.6）m，單幅橋?qū)挒?3.5 m。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，左右兩幅橋中墩共4個墩為獨(dú)柱單支座。原設(shè)計(jì)荷載為汽-超20，驗(yàn)算荷載為掛-120。詳見圖1。

下部結(jié)構(gòu)中墩采用矩形獨(dú)柱墩，單墩尺寸為2.0 m×1.8 m，承臺高2 m，平面尺寸為6.3 m×6.3 m，單個承臺下設(shè)4根直徑1.5 m鉆孔灌注樁。邊墩采用雙柱墩，單墩尺寸為1.8 m×1.5 m，支座間距為5.5 m，承臺高2 m，平面尺寸為8.4 m×5.3 m，單個承臺下設(shè)6根直徑為1.2 m的鉆孔灌注樁。見圖2。

根據(jù)現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范《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），對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行兩類特征狀態(tài)驗(yàn)算。恒載按橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際取值，汽車荷載、離心力、溫度作用及基礎(chǔ)變位均按照《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11-2011）（2019年版）及《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）取用。驗(yàn)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

根據(jù)表1驗(yàn)算結(jié)果可知，該橋雖未出現(xiàn)支座脫空，但是左傾及右傾抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均＜2.5，不滿足現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的相關(guān)規(guī)定，需要采取相應(yīng)的加固改造措施以提高結(jié)構(gòu)抗傾覆能力，保證橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期間的安全性。

2 橋梁加固設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)前述橋梁抗傾覆安全性計(jì)算結(jié)果及評估分析可知，對于已經(jīng)投入使用的獨(dú)柱墩橋梁而言，增大支座間距或增加支座個數(shù)可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆能力，提高抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)［6］。但在實(shí)際實(shí)施時，由于獨(dú)柱墩尺寸的限制，若要增大支座間距或增加支座個數(shù)需要增加橋墩空間。同時，相較于增大原有支座間距，增加支座個數(shù)能在不需要改造原有結(jié)構(gòu)支座位置的條件下，通過新增支座承擔(dān)上部活載的偏載作用，原有支座則主要承擔(dān)恒載。且對現(xiàn)狀橋梁的正常運(yùn)營影響最小。在這一加固思路下，結(jié)合該橋的結(jié)構(gòu)及環(huán)境特點(diǎn)，提出以下加固設(shè)計(jì)原則：

（1）提高獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆性能，滿足規(guī)范要求。

（2）盡可能減小基礎(chǔ)的負(fù)荷，降低對下部結(jié)構(gòu)的影響。

（3）新增支座僅發(fā)揮抗傾覆功能。

（4）加固改造方案適用于既有橋梁空間布局及橋下跨線的凈空要求。

（5）方案便于實(shí)施，對既有交叉口交通的干擾小。

2.2 設(shè)計(jì)方案

針對獨(dú)柱墩橋梁，增設(shè)支座的加固形式主要有以下幾種，見圖3和表2［7-8］：

（1）方案一，增設(shè)鋼蓋梁。在現(xiàn)狀單柱橋墩兩側(cè)增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)蓋梁并增設(shè)支座（橫梁寬度不足處需改造加寬橫梁）。

（2）方案二，增設(shè)鋼立柱。在現(xiàn)狀單柱橋墩兩側(cè)增設(shè)鋼管混凝土立柱并增設(shè)支座（橫梁寬度不足處還需加寬橫梁）。

（3）方案三，增設(shè)混凝土立柱。即將混凝土墩身往兩側(cè)加寬并增設(shè)支座（橫梁寬度不足處需加寬橫梁）。

本項(xiàng)目的跨線橋位于交通繁忙的道路交叉口，兩幅橋面采用單支座獨(dú)柱墩，均位于道路側(cè)分帶，緊鄰過街人行橫道線。本著兼顧美觀和諧的原則，推薦采用增加墩身截面尺寸，同時在現(xiàn)狀支座橫向兩側(cè)增設(shè)支座的改造方案。具體改造內(nèi)容為：現(xiàn)狀墩身橫橋向進(jìn)行兩側(cè)加寬，每側(cè)加寬80 cm，厚度不超過現(xiàn)狀橋墩的寬度，然后在兩側(cè)加寬部分墩身上各設(shè)置1個支座，原橋墩支座維持不動，加固完成后，墩身頂面共設(shè)有3個支座。其中，左幅61#墩墩頂兩側(cè)增設(shè)的支座采用大負(fù)荷智能測力支座，以便監(jiān)測新增支座的受力情況。

在對原有橋梁進(jìn)行加固改造后，按照現(xiàn)行規(guī)范對加固后橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

從表3驗(yàn)算結(jié)果可知，采用增加支座個數(shù)的方案對原有橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造后，結(jié)構(gòu)的左傾穩(wěn)定系數(shù)由原來的1.8增加至6.7，結(jié)構(gòu)右傾穩(wěn)定系數(shù)由原來的2.1增加至9.1，加固后均滿足現(xiàn)行規(guī)范穩(wěn)定性系數(shù)≥2.5的要求。

3 施工過程中的技術(shù)要點(diǎn)

（1）在施工前，須復(fù)核橋梁上部梁體和下部墩臺各部分尺寸，確保立柱和鋼牛腿等后增構(gòu)造能與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)密切貼合，局部間隙可采用壓力注膠等措施，確保與現(xiàn)狀墩身密貼，使加固結(jié)構(gòu)能充分受力。

（2）加固方案中多處采用后置錨栓或植筋，施工前須充分做好調(diào)研，尤其注意橋梁梁體縱向預(yù)應(yīng)力鋼束、主梁縱橫坡及橫梁預(yù)應(yīng)力等相關(guān)尺寸和布置情況。采用鋼筋探測儀等儀器設(shè)備對既有結(jié)構(gòu)的鋼筋和鋼束進(jìn)行定位，避免鉆孔時受到損傷。鉆孔還應(yīng)分批進(jìn)行，以避免對原有墩柱截面削弱過大，影響結(jié)構(gòu)安全。

（3）為了安裝新增支座，需對梁體進(jìn)行頂升。在頂升過程中須對主梁變形和裂縫等進(jìn)行監(jiān)控。在進(jìn)行頂升前，應(yīng)制定詳細(xì)的頂升施工方案，保證新增支座安裝頂緊，不脫空。

（4）在支座安裝時，應(yīng)施加預(yù)壓力，以確保新增支座能夠有效工作，承擔(dān)汽車活載的偏載反力，同時延長支座的使用壽命。

4 支座反力監(jiān)測

本次加固增設(shè)的支座采用大負(fù)荷智能測力支座，上部支反力可通過布設(shè)的智能測力支座獲取。同時，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對增設(shè)的支座進(jìn)行自動、實(shí)時監(jiān)測。這不僅能夠?qū)崟r獲取支座反力的變化情況，還能夠了解橋梁運(yùn)營狀況，特別是偏載情況下新增支座的受力情況與發(fā)揮的效用，以檢驗(yàn)橋梁抗傾覆的加固效果（見圖4）。

通過智能支座的設(shè)置，能夠?qū)Κ?dú)柱墩加固后的新增支座反力實(shí)現(xiàn)24 h在線監(jiān)測，實(shí)時感知橋梁重車通行和偏載狀況。通過長時間的支反力監(jiān)測及分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）因橋面汽車荷載大小及作用位置不斷變化，新增支座反力隨之實(shí)時變化。由于設(shè)置了預(yù)壓力，新增支座始終處于受壓狀態(tài)，初始預(yù)壓力取支座承載力的10%為宜。

（2）在橋梁運(yùn)營過程中，新增支座反力始終在初始預(yù)壓力某一范圍內(nèi)變化，反力沒有持續(xù)增加，基本實(shí)現(xiàn)了新增支座抗傾覆的功能。

（3）在本次加固施工完成后的最初一段時間內(nèi)，因增設(shè)立柱混凝土的收縮徐變影響，新增支座反力值持續(xù)減小，應(yīng)針對增設(shè)混凝土立柱的加固，需加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)及觀測，及時對脫空支座進(jìn)行調(diào)整。

（4）可根據(jù)設(shè)計(jì)荷載，為智能支座監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置一閾值即報警值。當(dāng)橋面活載偏載達(dá)到對應(yīng)的荷載效應(yīng)時即觸發(fā)報警，為獨(dú)柱墩橋梁安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

5 結(jié)語

通過對實(shí)際工程的獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆加固三種設(shè)計(jì)方案的比選，在實(shí)際改造施工時引入了智能支座物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并取得了較為理想的效果。通過對新增支座的反力觀測可知：對于單支座布置的獨(dú)柱墩橋梁而言，三種加固設(shè)計(jì)方案通過增加支座個數(shù)能夠有效提高結(jié)構(gòu)抗傾覆性能。橋梁加固后增加了橫向的支座個數(shù)，其恒載主要由原有支座承擔(dān)，而新增支座則主要承擔(dān)汽車活載的偏載反力。

此外，新增支座在反向偏載作用下反力會減小，并且考慮到溫度作用的影響，支座安裝時應(yīng)施加預(yù)壓力，以支座承載力的10%為宜，確保新增支座能夠有效工作。

對于新增支座可以采用智能測力支座，在新增支座內(nèi)部安裝壓力傳感器，一方面能夠?qū)Κ?dú)柱墩加固后的支座反力實(shí)現(xiàn)24 h不間斷監(jiān)控，實(shí)時感知橋梁重車通行和偏載狀況，掌握獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆狀態(tài)，還能顯著提高橋梁健康監(jiān)測的技術(shù)水平，對于推動橋梁抗傾覆安全實(shí)時監(jiān)測與預(yù)警處置的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

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收稿日期：2022-09-20