独柱墩桥梁抗倾覆加固改造技术

陈 勇，杨培伟

(1.中铁大桥局武汉桥梁特种技术有限公司,湖北 武汉 430074；2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北 武汉 430034；3.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

0 引言

随着服役年限的不断增长、车流量的增加以及越来越多的超载车辆出现，独柱墩桥梁运营质量不断降低，桥梁的抗倾覆性能不断恶化，为消除桥梁运营安全隐患，提高独柱墩桥梁抗倾覆性能，保障人民群众生命财产安全，同时应对部分车辆严重超载等极端情况，亟需对独柱墩桥梁运营现状进行摸排，对抗倾覆性能不满足现行规范[1]的桥梁进行加固改造。

本文依托独柱墩桥梁倾覆事故案例和独柱墩桥梁加固改造项目实例，从独柱墩桥梁倾覆问题的特点及原因分析，桥梁抗倾覆性能验算评估方法及桥梁倾覆机理，独柱墩桥梁加固改造技术解决方案以及独柱墩桥梁运维要点等几个方面进行全面梳理和研究，旨在为独柱墩桥梁的安全运营提供比较全面的技术指导。

1 独柱墩桥梁现状

1.1 独柱墩桥梁特点

独柱墩桥梁具有结构轻巧、线形流畅、占地量小、通透度大、施工方便等优点，在受到地形、地物限制城区，独柱墩桥梁成为优选桥型。这类桥梁的上部结构多采用连续箱梁，与简支梁相比，其整体性能好、行车舒适度高、跨越能力强，在立交桥、高架桥的分离式匝道或上下引桥的设计中占有重要地位。据相关调查统计，独柱墩桥梁普遍具有如下技术参数特征： ①桥面宽度8～11m； ②桥跨数98%以上在5跨以内； ③总联长约97%在200m以内； ④约90%平曲线半径≥90m。

根据上部结构材料类型，独柱墩桥梁分为钢箱梁独柱墩桥梁、钢-混凝土组合箱梁独柱墩桥梁和混凝土箱梁独柱墩桥梁，其中以混凝土现浇箱梁为主，其梁端多采用双支座支撑，中跨分为墩梁固结、双支座和单支座支撑方式，如图1所示。

图1 独柱墩桥梁墩梁连接方式

通常城区范围内的独柱墩桥梁因受桥墩顶面的空间限制，支座横向间距较小，且桥面宽度不大，无明显的车道划分，车辆偏载情况较为普遍，因偏载引起支座反力变化较大，独柱墩桥梁抗倾覆能力薄弱的现象愈发凸显。独柱墩桥梁在使用过程中出现倾覆时，事先并无明显征兆，属于瞬态破坏形式，一旦发生将会危及民众生命安全、造成巨大的经济财产损失、产生极其恶劣的社会影响。

1.2 典型倾覆案例及原因分析

1)案例1 某立交桥上部结构为钢筋混凝土连续梁，跨径布置为(17+22+22+17)m+30m，下部结构为独柱墩单支座形式。事故发生时桥面3辆单车约140t的车辆偏载通行，整体倾覆，倒塌后桥梁结构整体性基本完好(见图2a)。

2)案例2 某跨线桥上部结构为简支钢箱梁、下部结构为小间距双支座花瓶墩，事故发生时3辆单车约100t的车辆偏载通行，主梁绕中心轴一侧支座倾覆，倾覆后钢主梁、混凝土桥墩无结构性损害(见图2b)。

图2 独柱墩桥梁倾覆案例分析

从以上案例看出，发生上部结构整体倾覆的桥梁具有以下共同特征[2]： ①上部结构为整体箱梁、下部结构为独柱墩； ②过渡墩和桥台位置为双支座，中跨桥墩采用单支座，其中简支梁桥端部双支座间距较小； ③超过设计荷载的车辆集中偏载通行(见图2c)；④事故发生前无明显预兆、猝然发生，事后结构整体性基本完好。

1.3 独柱墩桥梁倾覆机理分析

在偏心荷载作用下，单向受压支座依次脱离受压状态，箱梁支撑体系不再提供有效约束，箱梁扭转变形趋于发散至横向失稳垮塌[3]，支座、下部结构连带损坏(局部)。根据独柱墩桥梁倾覆案例的分析以及相关研究，其倾覆过程可表达为几个典型过程，如图3所示。

图3 独柱墩桥梁倾覆过程

2 独柱墩桥梁抗倾覆验算评估

独柱墩桥梁上部结构在倾覆的过程中存在2个明确特征状态[4]： ①特征状态1 箱梁的单向受压支座开始脱离受压； ②特征状态2 箱梁的抗扭支承全部失效[5]。

将这两个特征状态作为抗倾覆验算工况： ①达到特征状态1 在作用基本组合下，箱梁桥的单向受压支座处于受压脱空状态； ②达到特征状态2 箱梁的抗扭支承全部失效时，箱梁处于受力平衡或扭转变形失效的极限状态。箱梁桥同一桥墩的一对双支座构成一个抗扭支承，起到对扭矩和扭转变形的双重约束；当双支座中一个支座竖向力变为0而失效后，另一个有效支座仅起到对扭矩的约束，失去对扭转变形的约束，如图4所示。

注：有效支座；●失效支座图4 独柱墩桥梁达到特征状态2的过程

对箱梁的抗扭支承全部失效状态，采用“稳定作用效应≥稳定性系数×失稳作用效应”的表达式。箱梁桥处于特征状态2时，各桥墩都存在1个有效支座，稳定效应和失稳效应按照失效支座对有效支座的力矩计算，如图5所示。

注：有效支座；●失效支座图5 独柱墩桥梁特征状态2时的有效支座示意

2.1 验算评估方法

根据JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第4.1.8条，持久状况下，梁桥不应发生结构体系改变，并应同时满足下列规定。

1)在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态。

2)按作用标准值进行组合时，整体式截面简支梁和连续梁的作用效应应符合下式要求：

稳定效应：∑Sbk,i=∑RGkili

失稳效应：∑Ssk,i=∑RQkili

式中：kqf为 抗倾覆稳定性系数，取2.5，综合考虑该简化方法的偏差系数和实际车辆密集排布情况下汽车荷载的放大系数后确定；li为第i个桥墩处失效支座与有效支座的支座中心间距；RGki为在永久作用下，第i个桥墩处失效支座的支反力，按全部支座有效的支承体系计算确定，按标准值组合取值；RQki为在可变作用下，第i个桥墩处失效支座的支反力，按全部支座有效的支承体系计算确定，按标准值组合取值，汽车荷载效应(考虑冲击)按各失效支座对应的最不利布置形式取值。

2.2 某独柱墩桥梁抗倾覆验算分析

1)验算过程

以某互通匝道桥的独柱墩桥梁第1联为例进行抗倾覆验算，本联桥梁为(23.761+3×20)m，采用预应力混凝土现浇连续箱梁。0，4号过渡墩采用双柱墩，1～3号墩采用独柱墩。箱梁为单箱双室截面，顶板宽度为10.5m，底板宽度6.0m，悬臂2.0m，斜腹板，梁高1.5m。标准横断面如图6所示。

图6 匝道桥标准横断面

按照JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求，对上部结构抗倾覆进行验算。桥涵设计荷载按汽车荷载公路-Ⅰ级考虑，在恒荷载和二期荷载以及汽车荷载冲击系数μ2=0.45条件下进行验算。按单车道偏载和双车道偏载工况[6-7]分别进行验算，偏载布置如图7所示。

图7 独柱墩桥偏载布置

2)验算结论

汽车单、双车道偏载，抗倾覆验算如表1，2所示。可见失效效应发生于特征状态2，其抗倾覆稳定系数kqf单车道偏载时为1.86，1.85；双车道偏载时为1.78，1.77，均小于2.5，因此均不满足要求。

表1 单车道偏载验算结果

表2 双车道偏载验算结果

3 独柱墩抗倾覆技术解决方案

3.1 独柱墩加固改造方案

影响独柱墩桥梁抗倾覆性能的主要因素为支座横向间距[8]、抗扭跨径、平曲线半径、边中跨比。针对既有运营独柱墩桥梁抗倾覆性能验算不满足要求，提出以下加固改造方案。

3.1.1中墩改为墩梁固结

将跨中单支座桥墩改造为墩梁固结(见图8)，上部结构的静力平衡问题转变为截面的强度问题。

图8 墩梁固结示意

但因原来由支座适应的结构体系变形改为桥墩协调变形，将增加墩梁固结区域构件的应力水平，因此该方案仅适用于高墩且温度效应和收缩徐变效应不显著的情况。

3.1.2增设墩柱

在独柱墩既有承台(或将原有承台扩大，或增加桩基)两侧增设墩柱，由单柱式改为多柱式，并设置横向连接系与既有独柱墩连接(见图9)。

图9 独柱墩增设墩柱抗倾覆

3.1.3加大截面法

将独柱墩通过植筋立模浇筑混凝土，加大并改变桥墩截面形式，一般做法是将独柱墩变成板式墩(见图10)或花瓶墩，在原支座两侧增加2个支座。

图10 独柱墩变板式墩

3.1.4增设盖梁法

在桥墩墩顶增加盖梁，保留原支座，横桥向再增加2个支座，为减小增加构件自重对原桥恒荷载的影响，盖梁一般采用钢结构形式(见图11)。主要改造措施是在桥墩顶部通过牛腿方式安装钢抱箍，采用螺栓将其箍紧，钻孔安装锚栓，注入粘钢胶粘钢处理。待钢盖梁施工完成后，安装新增支座并与箱梁密贴。

图11 钢盖梁

3.1.5增设抗倾覆装置

在独柱墩与箱梁之间通过设置刚性或者柔性抗拉拔装置，如对拉钢筋、耳钉、拉杆、拉板块等(见图12)，限制支座脱空进而发生桥梁倾覆事故，一般适用于双支座独柱墩。

图12 抗倾覆装置

3.1.6钢箱梁增加配重法

独柱墩钢箱梁自重轻，抗倾覆性能差，一般在墩顶附近和曲线半径较小的曲线内侧箱室内灌注混凝土作配重，达到提高桥梁抗倾覆性能要求。

3.2 抗倾覆支撑点传力功能实现

作为抗倾覆支撑，是在不改变原桥传力方式条件下作为预防性作用的支撑。独柱墩一般为连续梁的中墩，所以抗倾覆的支撑不能限制桥梁梁体的横纵向位移活动，也不能改变桥梁正常运营条件下原支座的受力状况。

增加的支座需满足： ①双向活动功能； ②支座要与梁底始终保持密贴以防止桥梁正常运营下梁底与支座频繁动态接触，并且不能受力(相对原支座而言)。具体措施如下。

1)采用四氟板橡胶支座 为双向活动支座，满足双向活动需要。通过二次灌浆的方法实现支座与梁体密贴，具体做法是在增设的墩柱浇筑至顶部约50cm时，先采用千斤顶将支座预顶使之与梁底密贴后进行固定锁死，再进行支座底部二次灌浆。

2)采用可调高支座 用可调高支座安装到位后向支座内腔压入合成材料实现一定(远小于原支座力)的预顶力，确保支座与梁底始终密贴，支座结构如图13所示。

图13 可调高支座

4 独柱墩桥梁运维合理化建议

1)针对抗倾覆系数不能满足规范要求的独柱墩桥梁，实施加固改造前建议采取布置限重标志方式对可能通行的重载车辆进行控制，同时安装视频监控设备予以全面监控。

2)加强拟加固改造桥梁的日常检查频率，并针对有倾覆趋势的特征表现，如桥梁端部伸缩缝出现错台、护栏发生高度方向错位、梁体端部在车辆经过时发出异响、支座脱空等进行详细观察和记录。

3)为长期有效掌控独柱墩桥梁的工作状态，建议针对典型桥梁建立智能化监测系统[9]，实时获取其表征抗倾覆性能的特征数据。

5 结语

通过对独柱墩桥梁倾覆问题的特点及原因进行分析，基于桥梁抗倾覆性能验算评估方法及桥梁倾覆机理，提出多种满足一定条件下的独柱墩抗倾覆加固改造的技术解决方案，并就独柱墩桥梁运营维护管理提出合理化建议，对独柱墩桥梁的安全运营提供了技术支持。