公路桥梁抗倾覆验算与加固改造设计分析

葛 飞 （安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

独柱墩桥梁在桥梁结构当中属于比较常见的一种形式，在普通公路、高速公路和城市高架桥等工程中应用较为广泛。只是近年来，由于道路交通量的不断增长以及长期存在的车辆超载现象，发生过独柱墩桥梁因车辆超重偏载引发倒塌倾覆事故，造成人员伤亡的同时还会带来无法预估的财产损失，并在社会上产生了不小的负面影响。譬如在2009年的7月15日，津晋高速港塘收费站外面设立的独柱墩连续匝道桥上，3辆严重超载车辆为避让一辆前方逆行车，偏离其行车道并形成密集停置，结果引发桥梁的倾覆；2012年的8月24日，在哈尔滨三环的群力高架桥，从洪湖路上跨匝道桥上出现倾覆事故。由此看来，确保独柱墩桥梁能够安全运营，首先要保证独柱墩桥梁具有足够的抗倾覆能力。

2 桥梁的抗倾覆能力验算

关于桥梁抗倾覆能力验算，目前行业内尚无统一标准，，通过调研国内外相关资料，并参照云南省相关规定，文章采用的验算荷载为公路－Ⅰ车辆密布荷载，依据支座脱空程度来评判结构出现倾覆的可能性。

2.1 荷载取值

依照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015），对于汽车荷载采用自定义形式的荷载，按照Ⅰ级公路中的车辆标准荷载，并按照图1所示2.2m的车间距考虑车辆密布荷载。其中的自定义荷载依据图2所示实际车道数按照偏载方式予以加载。

图1 车辆加载示意图（力的单位kN，距离单位：m）

图2 偏载施加示意图（单位：cm）

2.2 倾覆可能性判定

桥梁倾覆其实是一个复杂的演变过程，一般来说在独柱墩桥梁还没有倾覆之前，桥台或联端支座通常会先产生脱空或失效现象。支座一旦脱空或失效，就起不到支撑结构的作用。另外的支座将会产生支反力的再次分布，在此期间支座承受的竖向压力会超过其设计强度，最终会使支座受到破坏，还可能会使支座转角变形太大产生梁体滑移。故而，支座的失效跟脱空是出现倾覆的预兆，按照支座脱空来评判结构是不是出现倾覆虽然有点过于严格、过于保守，但利于保证结构安全。

3 实际验算

3.1 工程简介

云南省某双向四车道高速，宽28m、长44.906km、设计车速120km/h。

3.2 验算

全线独柱墩桥梁共20联，其中天桥13座，匝道桥6联，主线桥1座，通过Midas/Civil有限元软件建立模型，高速中的独柱墩桥梁应该根据文章第2节中介绍的抗倾覆验算法予以验算。为了体现桥梁支座脱空程度，有限元软件在计算支座时采用的均是拉压支座进行模拟，当支座反力比零低时意味着支座已经脱空。结果表明，验算的桥梁抗倾覆能力都达不到要求，需针对性地进行加固。

3.3 验算结果示例

高速K463+584位置上的桥梁上部采用的是预应力混凝土(20+25×2+20)m连续箱梁结构，桥梁宽度为8.5m，桥梁当中的0#、4#桥台都是双支撑点，1～3#墩则都是圆柱形单支座、独立柱墩。其验算结果具体见表1，其中的桥梁0-2#、4-2#两个支座均有负反力出现，意味着支座已开始脱空，桥梁不具备充足的抗倾覆能力。

验算结果

4 桥梁的加固改造

在加固独柱墩桥梁时，之前采用的是加增设墩柱两侧的支座与桩柱的方式，虽然可以实现加固预期的抗倾覆效果，但是有时在外形上会产生一种不协调的整体景象，且施工时受桥下净空高度等因素的限制，实施难度较大。本文依照经济、可行、有效、美观的原则，对验算所选取的独柱墩桥提出新加固措施。在确保加固后抗倾覆能力能达到预期效果的基础上，保留独柱墩桥梁外观方面的美观性。

4.1 天桥的加固

天桥的抗倾覆能力验算结果显示，支座负反力最大也不可能超过-1500kN。经设计计算可知，在桥台端支点位置的主梁腹板外侧跟翼板下侧分别增设钢横梁与拉压支座的这种方案是切实可行的。其实施方法具体为：先拆除主梁外侧位置的挡块，再利用化学锚栓把钢横梁跟主梁端横梁组成一个整体，并在钢横梁下方布置拉压支座，把主梁端部原本仅有的两点支撑改成四点支撑，以抵消桥梁由于受到偏载作用而产生的倾覆力矩，改善其抗倾覆能力，具体的加固方案见图3。

图3 通过增设钢横梁进行加固处理的示意图

该加固方案不但简洁有效，而且还经济合理，其加固施工不需要占用桥下空间，也无用任何大型施工设备，整个施工期间不会对高速公路的正常通车造成任何影响，加固施工完成后也不会对独柱墩桥梁的整体美观产生影响。

4.2 匝道桥的加固

对于高速西段上的互通6联匝道桥，加固方案则是在独柱墩墩顶部位置增设支座跟钢盖梁，将其原本的单点支撑改成三点支撑。其实施方法具体如下：在墩柱桥的墩柱顶部位置上设置横向钢盖梁，并在柱身外面包上钢板套箍跟化学锚栓，使其与原混凝土柱连成一体，加固完成后在钢盖梁顶处布设支座垫石以及板式橡胶支座，这样一来就可以把独柱墩顶部原本的单点支撑改成三点支撑，使下部结构对匝道桥梁体的支撑点数量增加，从而改善其抗倾覆性能。加固完成后在验算荷载条件下，墩台支座反力不再出现负值，只是独柱墩墩身体现出来的抗弯能力存在欠缺，故而还要对墩身外包上钢板进行加固。该加固方案的具体示意见图4。该加固方案不仅简洁有效，而且经济合理，由于不需增设桩柱，降低了施工难度，也不用大型设备，且整个加固期间高速公路主线完全可以正常通车，加固施工完成后外形较为美观。为增强墩柱结构的抗弯能力跟刚度，需要用10mm厚钢板包在墩身外面，将水泥基灌浆料浇筑到外包钢板和原墩柱之间的空隙，使其成为一个整体。

图4 通过增设盖梁进行加固处理的示意图

5 结语

因之前桥梁抗倾覆能力大小并未在公路桥梁设计规范中做出明确要求，也没有规定其计算方法，使得之前的桥梁在整个设计期间，设计师只注重桥梁结构的抗弯、抗剪承载力是不是满足规范要求，因此在计算设计期间并不关注桥梁的抗倾覆能力。由于交通量的持续增长和客观存在的车辆超载现象，近些年来桥梁倾覆事故屡屡出现，为确保独柱墩桥梁能够安全运营，必须对抗倾覆能力欠缺的独柱墩桥梁予以加固。文章通过云南省某一高速独柱墩桥梁工程实例，验算了其抗倾覆能力，并对其中抗倾覆能力存在欠缺的桥梁提出了加固方案的建议，提出的加固处理措施不但施工简单而且有效，同时还不会影响桥梁外形上的美观。