一种独柱墩弯桥的抗倾覆装置

董阁 ，黄卫东 ，汪东林

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088；3.安徽建筑大学，安徽 合肥 230601)

1 引言

独柱墩桥梁由于具有减少占用土地、增加视野和桥型美观的优点，被广泛应用于我国城市高架桥中。但独柱墩桥梁的抗倾覆能力较差，在卡车超载情况下，容易诱发倾覆。如2009年7月15日，津晋高速公路港塘收费站800m外，匝道桥(属于独柱墩桥梁)上有5辆载重型车通过时，独柱墩桥梁发生倾覆坍塌；2011年2月22日，在上虞县道南春线春晖互通立交桥引匝道 (属于独柱墩桥梁)4辆超重货车靠边行驶并连着上桥，导致桥面由于偏载加超重发生坍塌事故；2012年8月24日，哈尔滨市三环路高架桥洪湖路上桥匝道 (属于独柱墩桥梁)处，有4辆超载重型车辆(其总重为485t)并行且靠独柱墩桥梁的一边行驶，属严重超载再额外加上严重偏载，导致独柱墩桥梁发生倒塌；2019年10月10日，无锡市境内312国道上跨锡港路高架桥，由于车辆偏载超载，导致该段梁桥所受倾覆力矩大于抗倾覆力矩出现桥面侧翻，桥下3辆小车被压。

随着社会经济发展交通车流量日益增大，特别是偶现超载严重的卡车违规上桥（有的超载高达200%以上），导致独柱墩高架桥存在较大的安全隐患。特别是独柱墩弯桥（主要为匝道）处，桥梁容易向外侧倾覆，其倾覆方向具有可预见性。为此，本文探讨一种对独柱墩弯桥的加固装置。

2 独柱墩弯桥加固方法

一种独柱墩弯桥的钢结构加固装置，如图1与图2所示，包括钢筒、钢梁与托板；钢筒包裹在桥墩外围，钢筒底部焊接有应力扩散板，应力扩散板压在承台上；钢筒上部一侧焊接有钢梁，钢筒与钢梁下部之间焊接有三角架；钢梁端部上表面焊接有托板，钢梁与托板下部之间焊接有加筋肋；钢梁上的托板与桥面一侧的底部接触。

图1 加装加固装置后的桥梁主视图

图2 加装加固装置后的桥梁三维结构示意图

弯桥的外侧是指外弧线一侧，内侧是指内弧线一侧，外弧线的半径大于内弧线的半径。在较大的偏载作用下，独柱墩弯桥容易向外侧倾覆，其倾覆方向具有可预见性。所提装置的托板支撑在弯桥外侧桥面的底部。

钢筒的内径略大于桥墩的外径；钢筒由多块钢板焊接而成，钢筒上设置多处镂空的孔洞，以减少钢材用量。

钢梁上的托板与弯桥外侧桥面的底部相互接触，但互不相连。可在托板上部再设置一定厚度的橡胶片，橡胶片的顶面与桥面的底部直接接触。此处的“互不相连”是指无固结或铰接连接，两者仅相互接触而已，本质上是相互分离的，不能传递拉力、水平剪力与弯矩，仅能传递压力。故本技术的施工对原桥面无影响，无需对原桥面进行额外特别处理。

应力扩散板压在承台上，应力扩散板与承台的表面固定相连，使所提加固装置不发生转动。图3和图4展示了所提钢结构加固装置的三维结构示意图。所述的钢结构加固装置，需能承担所述弯桥桥面向外侧倾覆时产生的竖直向下的压力而不发生失效。由于钢材具有较高的强度，故设计完全可以实现所提装置确保桥梁不发生倾覆。

图3 钢结构加固装置三维结构图一

所提装置具有下列优点：由钢结构制作的加固装置，加装在桥墩的外围，不与桥墩或桥面固定相连，施工过程中无需对桥墩与桥面局部凿破，故施工对桥墩与桥面无负面影响；整个钢结构加固装置的重量基于应力扩散板传递给承台，桥墩不承担加固装置的重量，故对桥墩影响非常小；整个装置结构简单，加工与组装施工方便，钢结构的强度与刚度较大，能承担较大的倾覆荷载，总体造价低。

图4 钢结构加固装置三维结构图二

3 抗倾覆效果分析

现针对某一独柱墩桥梁进行分析，探讨所提加固装置的抗倾覆效果，钢结构加固装置包裹在桥墩的外表面，钢梁与托板与桥面底部直接接触，钢结构加固装置的悬臂长9.50m，有限元建模如图5、图6、图7所示。计算得到了有无加固装置情况下的桥梁特性，如下表所示。表中参数是指桥面施加弯矩1E5kN·m/m后的计算取值。

由上表数据可知，独柱墩桥梁加装所提加固装置后，桥面横向倾斜减少-71.62%，桥面最大拉应力减少-52.78%，说明桥梁底部的加固装置分担了较大的竖向荷载，大大提高了桥梁的抗倾覆能力。当然，所提装置的抗倾覆效果，后续还需进一步结合模型试验进行深入研究。

加固装置的效果分析

图5 有限元建模方位图1

图6 有限元建模方位图2

图7 隐藏桥面的建模图

4 结语

提出了一种独柱墩弯桥的钢结构加固装置，包括钢筒、钢梁与托板；钢筒包裹在桥墩外围，钢筒底部焊接有应力扩散板，应力扩散板压在承台上；钢筒上部一侧焊接有钢梁，钢筒与钢梁下部之间焊接有三角架；钢梁端部上表面焊接有托板，钢梁与托板下部之间焊接有加筋肋；钢梁上的托板与桥面一侧的底部接触。所提加固装置加装在桥墩的外围，桥墩不承担加固装置的重量，施工对桥墩与桥面无影响，整个装置结构简单，加工与组装施工方便，钢结构的强度与刚度较大，能承担较大的倾覆荷载，总体造价低。