独柱墩桥梁抗倾覆分析及加固设计研究

柴加兵

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110116)

2018年，新的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)颁布，在新规范4.1.8条中，明确给出了桥梁抗倾覆[1]计算内容的规定以及计算方法。但是近几十年来，我国修建了大量的独柱墩[2]桥梁，特别是在互通区桥梁中，给交通行车带来了极大的安全隐患。对独柱墩[2]桥梁进行抗倾覆分析及加固处理是摆在我们交通人面前不可绕开的一个课题。结合工程实例，对桥梁抗倾覆分析与加固进行深入研究，希望能为以后独柱墩处理提供借鉴。

1 工程概况

梅黄高速英达立交CK0+273.896匝道桥，桥梁全宽8.25m，桥梁总长77.50m。此桥位于半径230m、左偏圆曲线上，桥梁分跨线均为径向线。桥梁孔径布置为(16+20+20+16)m，上部结构采用预应力混凝土连续π型梁，梁高(梁高均指箱梁外侧腹板外缘处梁高)1.1m。下部结构均采用柱式桥墩(2#墩高为：9.468m)，钻孔桩基础；桥台采用柱式桥台。

近期桥梁检查结论：桥梁长度、跨径、桥面宽度、主要构件截面尺寸，测量结果与原设计基本一致。依据《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21-2011)，上行桥结构技术状况评定等级为2类。

本匝道桥跨越高速，其中2号墩(独柱墩、单支点)落于高速中间带上，1、3号墩(薄壁墩、双支点)落于高速土路肩两侧。采用现行公路-Ⅰ荷载对本桥进行加载验算，抗倾覆系数为2.20，小于规范规定值2.50，且1、3号桥墩内侧支座脱空，需要加固处理。桥梁断面布置图见图1。

图1 桥梁断面布置图

2 加固方案设计

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》应用指南(JTG 3362-2018)规定，解决桥梁抗倾覆一般有三种方式。

(1)将单支点改为墩梁固接，此方法的特点是改变结构受力体系，改变结构破坏模式，仅适用于高墩。

(2)将独柱墩单支点受力转换为双支点或者三支点受力，此方法的特点是不显著改变桥梁结构受力体系，提高抗倾覆性能，但是压缩了桥下空间。

(3)设置冗余约束，提供冗余约束，但是不提高抗倾覆性能。

在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》应用指南(JTG 3362-2018)中明确指出：

(1)加固改造方案应以“安全、经济、美观”为原则，考虑桥梁的功能性要求、施工可实施性、检测养护要求和景观要求，进行多方案经济技术比较后确定。

(2)加固改造方案应尽量保证原结构支撑体系不变：采用原有独柱单支座桥墩改造，如独柱单支座体系改为横向多支座体系(多柱式或独柱多支座结构)，或采用原有过渡墩或桥台及相应构造改造等措施。

(3)改造加固设计和施工，应避免由于结构改变造成新生问题，应制定专门的施工组织方案，加强桥梁施工质量安全管理。

根据设计指南指导思想及本桥所处位置空间情况，本桥提出如下改造措施：将2号墩(独柱墩)墩顶增加钢盖梁，在原支座左右侧新增支座，新增支座在活载情况下参与受力，原恒载作用下新增支座不参与受力，提高桥梁活载情况下抗倾覆系数；另在1、3号桥墩两侧与梁体之间增加抗倾覆拉杆(多于冗余约束)，以增加桥梁抗倾覆安全系数。

3 加固结构抗倾覆计算与结构设计

3.1 抗倾覆分析

加固方案确定后，应对新结构进行抗倾覆分析与结构计算。加固前0、1、3、4号支座为双支座、2号为单支座。加固后0、1、2、3、4号支座均为双支座受力体系。需要特别说明的是：2号支座横向采用三个支座，当整体梁向左侧倾覆时，右侧支座脱空，不参与受力；当整体梁向右侧倾覆时，左侧支座脱空，不参与受力。故2号支座按照双支座体系进行受力分析。

依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)第4.1.8条，持久状况下，桥梁结构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规范式(1)的要求：

(1)

抗倾覆计算荷载按照如下要求取值：

(1)永久作用：结构重力、预加力、混凝土收缩徐变作用，不考虑基础变位作用。

(2)可变作用：仅考虑公路-I级的汽车荷载，不考虑非线性温差等其他可变作用。

计算程序采用空间有限元分析程序桥博4.2程序计算。

箱梁自重采用程序自动计入，桥面铺装荷载及防撞墙荷载按照如下取值，二期恒载：桥面铺装27.0kN/m；护栏16.53kN/m(双侧)。

公路汽车荷载标准按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)取值，荷载等级为公路-I级，活载按单向2车道计算，活载各项系数见表1。

表1 公路活载系数表

计算结果整理如表2所示。

表2 抗倾覆性能评估(左倾覆)

由上述计算结果知道，2号墩增加支座后，左侧抗倾覆系数调整为3.54,大于规范抗倾覆系数2.50,满足规范要求。另右侧抗倾覆系数为3.80，满足规范要求。

3.2 2号桥墩强度验算

在2号桥墩增设盖梁之前，桥墩所受竖向荷载为：上部梁及二期恒载产生的竖向荷载、汽车荷载以及冲击力、不均匀沉降荷载等；水平荷载为：汽车制动力、离心力、温度力、风荷载等；在2号桥墩增设盖梁之后，桥墩上述荷载变化不大，但是由于汽车活载在横向支座上产生较大的偏心，桥墩产生了很大的横向弯矩，桥墩整个受力体系发生了较大变化，导致桥墩横向受力更加不利，对桥墩重新进行强度验算是必要的。另由于本桥原设计荷载为与现行规范设计荷载之间也存在较大的差异，现行规范荷载远大于原设计规范荷载。采用现行规范重新对结构进行强度验算也是必要的。桥墩所受荷载如表3所示。

表3 桥墩荷载表

计算程序采用空间有限元分析程序桥博4.2程序计算。另桥墩在进行计算时，应按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范》(JTG 3362-2018)要求采用新的计算长度进行取值。计算结果如表4所示。

表4 桥墩计算结果

桥墩计算满足规范要求。

3.3 1号、3号桥墩抗倾覆拉杆设计

1号、3号桥墩支座在恒载与活载组合作用下，不存在脱空状况，但是在仅活载情况下内侧支座存在脱空，根据计算知道，脱空反力为205.7kN。以此荷载对1号、3号桥墩进行抗倾覆拉杆设计，以增加桥梁抗倾覆安全系数。

抗倾覆拉杆设计时，应按照《混凝土加固设计规范》(GB 50367-2013)及《混凝土后锚固技术规程》(JTG 145-2013)中相关要求对植入锚栓进行抗剪计算、锚固有效长度、植入深度、锚栓间距、锚栓距离边缘距离等进行计算，同时也应对锚栓混凝土楔形破坏情况进行计算，应保证混凝土不发生楔形破坏。同时也应对拉杆连接部件传力销进行抗剪抗弯计算，应满足《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)规范要求。抗倾覆拉杆设计大样图如图2所示。

图2 抗倾覆拉杆设计图

抗倾覆拉杆设计时应保证拉杆竖向有效传力及纵向不影响桥梁自由变形。拉杆纵桥向孔隙应按照伸缩缝的计算方式进行考虑，并不小于伸缩缝设置值。

锚栓锚孔位置确定时，应确保锚孔位置距离原箱梁梁体预应力管道净距不小于10cm，以免打伤或打断原预应力钢束，产生新的安全隐患。

3.4 2号桥墩新增盖梁设计

2号桥墩新增盖梁为普通钢结构设计，按照《公路桥梁加固设计规范》(JTG/T-J22-2008)及《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)进行设计即可。但是应保证新增盖梁尺寸的大小不侵入公路界限，以免影响行车安全。

4 结论

过去几十年，由于独柱墩梁桥所具有的优势：经济、造型独特、美观，占用空间较小等特点，在我国公路建设和市政道路建设中广泛使用，特别是在互通区匝道桥中，使用更加常见。但随着科技发展、软件技术的进步、工程技术人员对桥梁结构体系的认识以及独柱墩桥梁实际使用状况，独柱墩桥梁所包含的安全隐患，急需解决。上述分析与计算希望能为独柱墩处理提供较好的参考。