既有独柱墩连续刚构桥加固措施及效果分析

王媛媛， 孙爱芬

(山东华鉴工程检测有限公司，山东 济南 250100)

独柱墩桥梁是横桥向用单柱来支撑上部结构的桥梁，常见于高速公路、城市市政道路跨线桥梁、匝道桥梁等。与多柱式桥梁相比，该结构因其占地少、能有效改善桥梁下部结构布局、桥型美观而受到广大桥梁设计者的欢迎。然而，由于该桥梁结构采用的是单点支撑型式，上部结构的横向抗倾覆能力在桥面偏载作用下受到极大地考验，抗倾覆能力不足将导致桥梁出现整体横向失稳。近年来，全国已经发生多起独柱墩桥梁倾覆坍塌事故，造成不同程度的人员伤亡及财产损失。本文结合实际工程，针对独柱墩桥梁抗倾覆能力不足的问题，提出了相应的加固方法，并进行了加固效果对比分析。

1 桥梁概况

1.1 桥梁基本信息

桥梁为人行桥，单幅，共43 跨，桥梁全长200.442 m。上部结构为(3.456+2×3.5+3.188+3.56+33×5+4.575+4.663+2×4+1)m 的钢结构连续刚构。桥面全宽均为2.89 m，横向布置为0.195 m(栏杆)+2.5 m(人行道)+0.195 m(栏杆)，下部结构均为直径为30 cm 的钢筋混凝土单柱式墩(局部平台位置为双柱式桥墩)，桩基础。桥梁平面、横断面分别如图1、图2所示。

图1 桥梁平面布置(单位：cm)

图2 桥梁横断面(单位：cm)

1.2 桥梁现状

该桥施工工期4个月，竣工投入使用后，建设方发现在行人走动时，桥面出现明显异常晃动。为了确保桥梁结构的安全使用，建设方委托检测单位对该桥进行了现场检测及技术状况等级评定。根据现场外观检测的情况，该桥梁存在的主要病害如下：

(1)全桥范围内横梁与纵梁连接处存在焊缝未焊满或未焊接现象，如图3所示。

图3 纵梁与横梁连接处未焊接

(2)纵梁和横梁钢板螺栓连接不到位。

(3)全桥墩柱上方预埋钢板不到位、钢板整体锈蚀等，如图4所示。

图4 墩顶预埋钢板病害 图5 墩柱环形裂缝

(4)部分墩柱距墩顶0.7 m范围内存在环形裂缝，缝宽0.10～0.19 mm，如图5所示。

2 桥梁病害分析及加固建议

2.1 桥梁静载试验

为了测试桥跨结构在设计荷载作用下的受力性能，掌握结构的实际工作状况，对该桥病害集中的第30跨进行了静载试验，取受力最不利的中纵梁及边纵梁进行测试，控制断面为中纵梁及边纵梁的支点截面、跨中截面[1]。测试主要内容为各级荷载下截面各控制测点应变及观测固结处焊缝固结情况，具体测试结果如表1所示。

表1 静载试验测试截面应变/挠度检验系数

本段桥梁静载试验各工况加载过程中控制截面均未发现异常现象，各截面的挠度及应变校验系数见表1。依据《城市桥梁检测与评定技术规范》(CJJ/T233-2015)的要求，结构校验系数不应超过1.0，试验跨控制截面强度及刚度均不满足设计要求。

荷载试验结果显示桥梁上部结构的强度、刚度不满足设计荷载的要求，不能保证结构安全使用，因此必须及时采用合适的方式对桥梁进行维修加固，保证安全运行。

2.2 病害分析

(1)该桥梁上部结构存在横纵梁连接处焊缝未焊满或未焊接、螺栓连接偏位等施工质量问题，导致上部结构纵横梁连接无法达到原设计的刚接状态，这些因素直接导致结构在荷载作用下的横向分布不良，大大降低了结构的强度及刚度，结构在荷载作用下可能局部出现较大的应力及变形。

(2)连续刚构桥独柱墩墩梁固结点的刚接程度是决定桥面抗倾覆能力的关键。本桥由于施工质量不良：墩顶预埋钢板不到位、墩顶混凝土浇筑不密实，导致部分墩梁固结点无法达到原设计的刚性连接，桥面的抗扭刚度远远小于原设计的状态，从而造成桥面较大的晃动及扭转变形。

(3)由于墩梁固结点施工质量问题，各墩的墩梁结点刚度大小不一，上部结构在最不利偏载作用下产生的倾覆翻转扭矩集中分布在各墩梁固结点，进而造成墩身出现了环向的弯拉裂缝。此裂缝为结构受力裂缝，需重视。

综上所述，本桥质量不佳，结构病害较多，对桥梁结构承载力及抗倾覆能力影响较大。

2.3 维修加固建议

为保证桥梁上部结构梁体的强度、刚度符合设计要求，避免梁体出现较大的应力、变形甚至桥面翻转倾覆，避免桥墩出现环向弯拉裂缝，结合桥梁的实际情况，建议在采取补设焊缝等弥补施工质量缺陷的同时，对该桥的抗倾覆承载能力进行加强。加固方式分别为：

(1)在两个固结墩之间纵桥向跨中位置，横向布设尺寸为(500～300)mm×300 mm×12 mm×18 mm的变截面H 型钢悬臂肋梁，悬臂梁端部锚固于桥侧道路的挡土墙内，如图6所示。

(2)在墩柱上方1.2 m 范围内加设抱箍，两侧各加设一道H 型钢斜撑，斜撑与横梁、抱箍均采用焊接连接，如图7所示。

图6 悬臂肋梁加固(单位：cm) 图7 墩顶抱箍+斜撑+横梁加固(单位：cm)

3 加固效果分析

为了评估桥梁的承载力现状并对比分析不同加固方式的加固效果，选取本桥4×5 m的跨径桥段，对其上部结构承载力进行了建模计算。

3.1 建立有限元模型

采用大型有限元程序MIDAS Civil -2020进行结构分析计算，按照桥梁结构的不同状态，分别对原设计状态及不同加固方式的桥梁建模计算，对如图8所示的四种工况进行建模分析。

图8 桥梁有限元模型

(1)工况一，刚构桥(原设计状况)。

(2)工况二，连续梁桥(桥梁病害服役状态；考虑墩梁连接质量较差，除中间节点为刚接，其它位置的墩梁连接定义为铰接，建立连续梁桥模型，更好的模拟桥梁的现状受力状态)。

(3)工况三，刚构桥(采用墩顶抱箍+斜支撑加固后的状况)。

(4)工况四，连续梁桥(采用增设横向悬臂梁加固后的状况，横向悬臂梁纵向每跨居中设置一道)。

3.2 结果分析

强度：上部结构纵、横梁在最不利荷载作用下控制截面的最大应力比验算结果如表2所示。

表2 截面强度验算(应力比)

变形：上部结构纵、横梁控制截面的最大竖向位移、最大倾覆扭转角如表3所示。

表3 各工况下变形验算结果

通过对建模计算数据的对比分析，得到以下结论：

(1)原设计状态下，上部结构在最不利偏载作用下的抗倾覆能力不足，将出现较大的扭转变形；各截

面的挠度及应变均不满足《城市桥梁养护技术标准》(CJJ99-2017)要求，在施工质量不达标的情况下，结构的抗倾覆能力将进一步降低，在最不利荷载作用下将出现桥面横向倾覆甚至垮塌的危险。

(2)采用增设墩顶钢抱箍、增加悬臂钢横梁的方式均可以较大增强结构纵横梁连接及墩梁的连接质量、增强结构的强度及整体刚度，可使桥梁结构的整体受力状态接近原设计受力状态，减小纵梁的跨中竖向变形，并大幅减小桥面的横向翻转变形，使结构刚度满足设计规范的要求。

(3)与墩顶增设钢抱箍的加固方式相比，采用增设悬臂钢横梁的加固方式对桥梁上部结构的强度、整体刚度的加固效果更好，同时不会对桥墩的受力状态造成影响。因而，建议在有条件的情况下，优先选择增设悬臂钢横梁的加固方式，对桥梁进行加固维修。

4 结论

本文针对既有独柱墩连续刚构桥梁使用过程中出现的上部结构明显晃动问题，通过外观检测、静载试验等方法的综合运用，掌握了桥梁病害的成因；提出了针对性的加固建议，并对比分析了不同加固方式的加固效果。得到的主要结论如下：

(1)本桥因施工质量控制不良致使独柱墩连续刚构体系的抗扭刚度不足，在最不利偏载作用下，上部结构出现明显的扭转变形，进而使用过程中出现严重的桥面变形及晃动，抗倾覆能力不足。

(2)本文提出的增设墩顶钢抱箍、增加悬臂钢横梁的方式均可较大的提高结构的强度及刚度，并极大的提高独柱墩的抗倾覆能力、降低桥梁倾覆翻转的危险，保证桥梁的结构安全。