独柱墩桥梁倾覆原理与常用加固养护措施分析

文/黄正辉

1 前言

过去一段时间国内独柱墩桥梁建设数量不断增长，目前已经有许多独柱墩桥梁存在服役年限比较长的问题，再加上近些年国内汽车保有量的不断增长，独柱墩桥梁所承载的车流量也越来越大，甚至部分车辆还存在超载的问题，这些客观存在的情况都使得独柱墩桥梁的抗倾覆性能出现了不同程度的弱化，进而造成桥梁安全运营工作面临比较大的困难[1]。要想提升独柱墩桥梁的运营安全系数，有效保障人们的生命财产安全，就必须在严查部分车辆超载问题的同时，对存量的独柱墩桥梁运营安全质量验算和排查，如果发现抗倾覆性能已经不再满足现行规范标准的桥梁，就必须在第一时间进行加固改造，从而达到提升独柱墩桥梁抗倾覆性能的目的。而实现科学有效加固改造的前提，就是要对独柱墩桥梁自身的特点以及倾覆的过程和原理进行深入的了解。

2 独柱墩桥梁特点

独柱墩桥梁无论在建设上还是在运营上都存在许多不可替代的优点，比如其结构轻巧，并且桥体的线形流畅，使得独柱墩桥梁的施工更加简单，而且它对于占地面积的要求也不高，特别是在一些会受到地形因素限制的桥梁建设项目中，独柱墩桥梁往往会成为项目设计方的首选。另外，独柱墩桥梁还具备整体性能更好的特点，比如具备较高的行车舒适度，有非常强的跨越能力，非常有利于桥梁项目建设完工后的运营工作。尤其是在一些立交桥和高架桥项目中，独柱墩桥梁会成为项目设计方的重点考虑方案。在实际的项目建设过程中，独柱墩桥梁一般会通过上部结构材料在类型上的区别进行分类，具体来说包括钢箱梁、组合箱梁（钢+混凝土）、混凝土箱梁三个主要的类型。在目前的存量独柱墩桥梁中，混凝土箱梁是数量最多的类型，这种桥梁通常会在梁端使用双支座实现支撑效果，而中跨则可以进一步分为墩梁固结、双支座和单支座支撑方式[2]。

一般来讲，如果独柱墩桥梁修建在程序范围内，其桥墩顶面的空间限制条件会比较苛刻，从而导致支座的横向间距足够大，造成桥面的整体宽度同样比较窄，而无法划分出泾渭分明的多个车道。这个问题的存在会导致城区范围内的独柱墩桥梁在运营过程中比较容易出现车辆偏载，进而引发支座反力出现比较大的变化，最终造成桥梁的抗倾覆能力越来越弱。另外，独柱墩桥梁倾覆情况的出现往往不会有任何事先的征兆，也就是说问题一旦爆发就会形成瞬间破坏，来不及做任何提前的组织安排以减少人们的生命财产损失，因此独柱墩桥梁倾覆所带来的社会影响也是极其恶劣。

3 独柱墩桥梁倾覆原理分析

本文通过对国内过往发生过的倾覆案例进行分析和归纳，总结出了独柱墩桥梁倾覆的发生原理，并用图1的形式展示了独柱墩桥梁倾覆过程发生的主要阶段：

图1 独柱墩桥梁倾覆过程

独柱墩桥梁之所以发生倾覆问题，首先是在荷载偏心力的作用下，导致某一单项受压支座出现脱空，这是修复过程发生的第一个阶段，也是独柱墩桥梁出现倾覆的第一个特征状态。

单向支座依次继续脱空，从而导致同一桥墩的成对横向双支座组成了抗扭支撑，最终形成对扭矩和扭转角度的双重约束。

在支撑一段时间后，首先会有某个支座脱离受压状态，这种情况下就只有一个支座能够继续约束扭矩，但是对扭转角度已经无能为力，梁箱的抗扭支撑此时已完全失效。

当所有的梁箱抗扭支撑完全失效后，梁箱出现失稳破坏，从而导致梁箱出现翻转、滑动、变形、发散等情况，最终造成桥梁破坏。

4 加固独柱墩桥梁的工程措施

要想通过加固改造的方式，提升独柱墩桥梁的抗倾覆性能，就要抓住影响桥梁抗倾覆性能的主要因素。具体来讲包括横向间距、抗扭跨径以及平曲线半径、边中跨比等，再通过验算方式检验存量跟桥梁抗倾覆性能后，对于性能未满足当前标准的运营项目，可以通过以下几种方式进行加固改造。

4.1 中墩改为墩梁固结

第一种方式是将独柱墩桥梁的支座改为墩梁固结，图2给出了墩梁固结的示意图，从图中可以看到，在实现这种改造后，可以将上部结构的静力平衡问题转而替换为截面的强度问题，从而达到加固的效果。但需要注意的是，这种改动也会增加墩梁固结区域构件应力，因此这种改造方案并不适用于所有的独柱墩桥梁，只适用于高墩且温度效应和收缩徐变效应不明显的情况。

图2 墩梁固结示意图

4.2 增加新的墩柱

通过在独柱墩桥梁的承台两侧增加新的墩柱来实现桥梁的加固效果。桥梁墩从过去的单柱结构升级为双柱甚至多柱结构，并通过横向方向增加连接的方式，实现新增柱墩与原有柱墩的绑定连接，从而增加桥梁墩的抗倾覆性能，或者也可以通过扩大既有承台以及新增桩基的方式来达到同样的效果。

4.3 改变桥墩横截面

改变桥墩横截面的目的是增加横截面的面积，在桥墩横截面面积增加后，能够有效提升桥墩的抗倾覆性能。在改变桥墩横截面的操作中，具体的做法是使用植筋立模浇筑混凝土，从而将独柱墩的形态升级改造成为花瓶墩、板式墩等其他形态，如此便能有效增加桥墩的横截面积。

4.4 在桥墩墩顶增加盖梁

在桥墩墩顶增加盖梁也是实现独柱墩桥梁加固的有效工程手段。本文推荐在实际的操作过程中使用钢结构的盖梁，这样做的好处在于可以最大限度地降低因盖梁自身重量所产生的对于原桥恒荷载的影响。

4.5 加装抗倾覆设施

抗倾覆设施通常需要加装在独柱墩和箱梁的中间位置，常见的抗倾覆设施包括对拉钢筋、耳钉、拉板块等具备刚性或柔性抗拉拔性能的装置。在完成抗倾覆设施的加装后，可以有效避免支座脱空问题出现，进而避免独柱墩桥梁倾覆过程中第一个特征状态的出现以及事故的发生。通常情况下，加装抗倾覆设施会应用于双支座独柱墩桥梁的加固中。

5 独柱墩桥梁的养护措施

要想让独柱墩桥梁在运营过程中始终保持比较高的质量安全系数，不仅需要前一小节所提到的加固方法，同时也需要在日常的运营过程中做好养护管理。其中，既包括日常的巡查和定期检查，及时发现可能存在的安全隐患，还包括要对独柱墩桥梁做好预防性的养护，以此在增加独柱墩桥梁使用寿命的同时，进一步降低其综合养护成本，具体来说包括以下几方面的工作内容：

设置固定的检测周期，对独柱墩桥梁的抗倾覆性能进行验算和校对，特别是对于承载车流量较大的重点区域的桥梁，还需要在固定检测周期进行验算的基础上，进行实验检测。

在固定检测周期之外，开展日常检测工作，日常检查的主要工作内容为支座检测，以便提前发现可能存在的支座破坏隐患，避免因此导致的桥梁倾覆。

为独柱墩桥梁组建智能监控系统，通过系统长期监控桥梁的工作状态，并将工作状态数据化存储，根据数据变化实时计算桥梁抗倾覆性能的特征数据，从而实现针对倾覆事故的预测报警机制。

重点关注桥梁结构中的桥墩和主梁的裂缝发展情况，这两部分是桥梁的核心承重构建，也是决定桥梁整体承载能力的关键所在，一旦发现存在裂缝的问题，必须及时修复。

6 结语

综上所述，随着社会经济的不断发展，独柱墩桥梁所承载的车流量在不断增加，必须重视独柱墩桥梁的加固和养护管理工作，从而确保人们的人身财产安全。本文列举了独柱墩桥梁通过加固实现抗倾覆能力增强的具体措施，同时桥梁的运营方也要做好桥梁的日常保养和维护，通过日常巡查加定期检查的方式，更加及时地发现独柱墩桥梁存在的倾覆隐患，这对于提升桥梁安全性能具有非常重要的意义。