独柱墩桥梁抗倾覆加固研究

杨建兵 冯守金 杨黎

摘要 文章以青兰高速公路陕西段独柱墩桥梁为工程背景，对独柱墩桥梁倾覆的原因进行了系统地分析，提出了独柱墩桥梁加固的原理和相关加固设计思路，进一步系统地提出了独柱墩桥梁加固设计目标和原则。对独柱墩桥梁加固方案进行详细介绍，对加固方案进行比选，结合桥梁所处位置、车流量大小及桥梁结构形式选用科学合理的加固方案。

关键词 独柱墩;桥梁;抗倾覆;加固

中图分类号 U445.72 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0139-03

0 引言

近年来，项目沿线区域经济发展迅速，路段交通流量及行车密度不断加大，重载车较多，尤其是大件运输、拖挂运输、集装箱运输、大吨位的超载煤车等重型车辆日益剧增，给沿线交通安全带来新的挑战[1]。鉴于近年来外省多次发生因重车偏载导致的独柱墩桥梁倾覆事故，给人民群众生命财产带来重大损失，引发不良社会影响。为及时消除独柱墩桥梁安全隐患，确保独柱墩桥梁运行安全，陕西省交通控股集团有限公司根据陕西省交通运输厅《关于进一步加强独柱墩桥梁养护管理和安全运行工作的通知》（陕交函〔2020〕86号）以及交通运输部《公路危旧桥梁排查和改造技术要求》（交办公路函〔2021〕321号）指导意见要求，开展对独柱墩桥梁倾覆安全隐患排查及加固改造行动。

1 工程概况

青兰高速公路陕西段全长192 km，为全立交、全封闭四车道高速公路，设计时速分别为80 km和100 km，路基宽度为24.5 m和26 m。主线桥梁282座，隧道32座，设互通式立交10处，设厢寺川、壶口、张村驿服务区3个。在宜川县壶口乡县川口南侧由山西省跨越黄河进入陕西境内，经过延安市的宜川、黄龙、洛川、富县等4县13个乡镇，最后止于陕甘界交界的雷家角，于2010年11月建成通车。

鉴于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362—2018） （以下简称“18 规范”）在桥梁抗倾覆验算的计算方法上有较大调整，陕西省交通控股集团有限公司根据《公路危旧桥梁排查和改造技术要求》（交办公路函〔2021〕321 号）指导意见，委托原桥设计单位对所辖片区的独柱墩桥梁按新规范进行了桥梁横向抗倾覆安全性验算，形成《独柱墩桥梁横向抗倾覆安全性评估报告》。根据评估报告，宜富分公司所辖路段共计33 联独柱墩桥梁，其中匝道桥27联，跨线桥6联，根据桥梁跨径、上部结构类型、梁高及支承形式等对以上桥梁进行归类验算，对全部桥梁归类为28种类型进行验算。根据验算结果，共有22类合计24联桥梁抗倾覆安全系数不满足规范抗倾覆稳定系数kqf≥2.5的要求。

2 加固设计原理及思路

2.1 加固设计原理

根据18规范应用指南4.4节，箱梁桥的倾覆防控措施主要的原理有以下三种：

2.1.1 改变结构破坏模式

此种方式是在不改变支撑数量的前提下，将支座单向受压支撑方式改为墩梁固结方式，改变结构受力体系，使结构稳定控制因素变为墩柱结合部承载能力，只要墩柱极限承载能力满足规范要求，结构就是稳定安全的。此種方式适用于高墩及新建桥梁。

2.1.2 提高稳定性能

此种方式本质是增加支撑数量或支撑间距，提高使上部结构稳定的效应设计值，增大抗倾覆稳定系数。如在独柱墩墩顶增设盖梁，增加支座数量或增大支座间距。此种方式在不改变原结构受力体系的情况下可显著提高上部结构抗倾覆性能，但此种改造方式缩小了桥下空间，不适用于对桥下净空要求受限的桥梁[2]。目前独柱墩桥梁抗倾覆加固改造多采用此种方式。

2.1.3 设置冗余约束

此种方式是通过在桥梁墩台位置设置附加抗拉拔装置或者限位构造，为结构提供冗余约束，但此种方式提供的抗拉拔力较为有限，不能从本质上提高抗倾覆稳定性。适用于特征状态1支座脱空处治及结合其他倾覆防控措施作为安全储备使用。

2.2 加固设计思路

根据18规范第4.1.8 条抗倾覆稳定系数计算方法及应用指南4.4 节相关算例，对于独柱墩抗倾覆维修处治最有效的方法为通过在独柱墩位置增加支撑数量或增大桥台或过渡墩位置支座间距，提高使上部结构稳定的效应设计值，从而增大抗倾覆稳定系数。根据算例及试算后发现，在独柱墩位置增加支撑数量对抗倾覆系数的改善效果明显优于增大非独柱墩支座间距，但对于某些斜交的跨线桥梁，在独柱墩位置增加支撑数量会导致新增加构造侵入下穿路线净空时，通过增大桥台或过渡墩支座间距来提高上部结构抗倾覆性能仍然不失为一种有效的方式，尤其是对于两孔的跨线桥，采用该方法具有明显的经济效益。因此，参照以往类似项目常规通用处理方法，独柱墩桥梁加固设计思路如下：

（1）条件不受限制时，尽可能采用在独柱墩位置增加支撑数量的方案，增大上部结构整体抗倾覆稳定性能。具体思路为：通过在独柱墩原支座两侧各增加一个板式橡胶支座，恒载反力由原支座承受，活载反力由三个支座共同承担，将单点支撑调整为横向三点支撑，提高桥梁抗倾覆稳定性使其满足要求，同时降低或消除所有支座在特征状态1 时的负反力。

（2）在独柱墩位置新增加构造侵入下穿路线净空或综合考虑施工对下穿路交通正常通行的影响，以及两孔的跨线桥可考虑采用通过增大桥台或过渡墩支座间距的方式增大上部结构整体抗倾覆稳定性能。具体思路为：通过在过渡墩或桥台位置的梁端设置牛腿等构造措施，拉大多支撑间距，从而提高桥梁抗倾覆稳定性使其满足要求，同时降低或消除所有支座在特征状态1 时的负反力。

3 加固设计原则

结合考虑独柱墩桥梁抗倾覆验算结果及桥梁实际运营状况，设计方案在满足提高抗倾覆稳定性系数的前提下，保证技术可行、安全可靠，力求施工方便快捷，同时将抗倾覆加固改造施工对交通运营的影响降至最低。

（1）遵循“安全、经济、耐久”的原则确定加固方案。

（2）抗倾覆加固检算采用空间有限元建立空间梁格模型进行分析，满足规范要求。

（3）检算、加固方案符合交通运输部办公厅发布的《公路危旧桥梁排查和改造技术要求》（交办公路函〔2021〕321号）中有关规定。

（4）加固检算荷载采用现行荷载标准（公路−I级）。

（5）加固提升后支座脱压验算及横桥向抗倾覆稳定性系数均满足规范要求;固结墩控制截面承载能力极限状态验算应满足规范要求。

（6）尽可能减小基础的负荷，降低对下部结构的影响，新增支座承载能力及加固桥梁基础的承载力均应满足要求。

（7）方案便于实施，降低对既有交通的干扰。

（8）加固改造方案适用于既有桥梁空间布局及桥下跨线、跨河净空要求。

（9）加固提升后新旧结构的约束及变形应协调，新增结构和连接部位的构造要求和耐久性应满足现行规范标准要求，并考虑沉降、温度、收缩等对原结构的影响。

（10）原有支座仍起主要承载作用，新增支座为针对超载车辆在偏载行驶的极端情况下采取的预防性抗倾覆措施。当验算原有支座承载能力不足时该次加固施工中一并更换。

4 独柱墩加固方案

4.1 加固设计方法

根据现场地形、地貌、地勘情况及抗倾覆验算，建议对独柱墩进行加固。具体处治方案如下：

方案一：独柱墩墩顶增设钢盖梁，增加支点数量。

在原独柱墩墩柱上设置钢结构盖梁，在独柱墩单支撑横向两侧新增两个支座，保留原桥支座使其承担原桥恒载，活载由原支座及两侧新增支座共同承担，新增支座采用四氟滑板橡胶支座，钢结构盖梁采用Q355NHC 型钢板，通过特殊倒锥形锚栓与原桥墩柱连接，如图1。为了保证钢结构盖梁整体质量及焊接可靠性，钢结构整体均在工厂完成标准化加工，运抵施工现场后进行安装。

主要施工流程：（新增桩基础→凿毛原桩基础桩顶2 m竖向长度内混凝土接触面→植筋→绑扎承台钢筋、立模→浇筑承台混凝土）根据具体验算结果确定→凿毛扩大端混凝土接触面→植筋→（安装钢盖梁）绑扎扩大端钢筋、立模→浇筑扩大端混凝土新增桥墩绑扎钢筋、立模→浇筑扩大端混凝土→安装板式橡胶支座;钢筋混凝土扩大端加固适用范围：上部箱梁底板宽度小于5 m。

方案二：梁端增设钢牛腿，拉大支座间距。

在过渡墩或桥台位置的梁端增设钢牛腿，在盖梁或台帽顶部通过植筋浇筑支座垫石，增设板式橡胶支座，加大既有多支撑间距，从而提高桥梁抗倾覆稳定性使其满足要求，同时降低或消除所有支座在特征状态1时的负反力。为不改变桥梁原有受力体系，避免产生次生病害，原有支座仍起主要承载作用，使其承担原桥恒载，活载由原支座及两侧新增支座共同承担[3]。钢牛腿采用Q355NHC 型钢板，通过特殊倒锥形锚栓与箱梁端横梁连接，如图2。为了保证钢牛腿整体质量及焊接可靠性，钢结构整体均在工厂完成标准化加工，运抵施工现场后进行安装。

主要施工流程：（新增桩基础→凿毛原桩基础桩顶2 m竖向长度内混凝土接触面→植筋→绑扎承台钢筋、立模→浇筑承台混凝土）根据具体验算结果确定→承台与新增桥墩接触面内凿毛→植筋（钢柱则需要在承台表面粘貼钢板）→新增桥墩绑扎钢筋、立模→浇筑桥墩混凝土（安装钢柱）→安装板式橡胶支座。钢管柱加固适用范围：墩身高度在6 m 以下。

4.2 确定独柱墩改造位置

根据构造规定，公路箱梁匝道桥应避免采用连续的独柱单支座式结构，结合下穿线路情况，该次改造独柱墩位置的确定应满足以下要求：①改造后桥梁上部结构抗倾覆系数满足规范要求，保证桥梁结构安全;②新增加构造物不应侵入公路界限范围;③尽量避免影响下穿线路的正常通行;④改造后的桥梁不应出现连续两个独柱墩的情况。综合考虑独柱墩改造的适用性、经济性，确定独柱墩改造位置原则如下：

（1）对于两跨一联的独柱墩桥梁，尽量通过拉大桥台或过渡墩位置的多支撑间距使其上部结构抗倾覆性能满足规范要求，当拉大支座间距仍难以满足规范要求时考虑在1 号独柱墩位置增加多支撑方案进行改造;

（2）对于三跨一联的独柱墩桥梁，通过在1 号独柱墩位置增加多支撑方案进行改造使其上部结构抗倾覆性能满足规范要求。

（3）对于四跨一联的独柱墩桥梁，通过在1、3 号独柱墩位置增加多支撑方案进行改造使其上部结构抗倾覆性能满足规范要求。

（4）对于五跨一联的独柱墩桥梁，通过在1、3 号独柱墩位置增加多支撑方案进行改造使其上部结构抗倾覆性能满足规范要求。

（5）对于六跨一联的独柱墩桥梁，通过在1、3、5号独柱墩位置增加多支撑方案进行改造使其上部结构抗倾覆性能满足规范要求。

（6）对于N跨一联的独柱墩桥梁，通过在1、3、5…号独柱墩位置间隔增加多支撑方案进行改造使其上部结构抗倾覆性能满足规范要求[4]。

5 结论

该项目独柱墩桥梁主要为跨线天桥及匝道桥，主梁构造梁底宽分别为4 m、4.1 m、8 m，墩高5～18 m不等，从方案的可行性上来说应选择有针对性的加固方案。由现场勘查可知，对于跨线天桥需加固独柱墩多位于道路两侧的护坡内，且距主线道路较近，从施工难易程度及对主线道路通行车辆影响大小来讲，应选择墩顶增设钢盖梁，增加支点数量。对于匝道桥，车流量较大，通行重车较多，且存于曲线段上，选择梁端增设钢牛腿，拉大支座间距的方案较为合理。

参考文献

[1]公路桥涵设计通用规范： JTG D60—2015[S]. 北京：人民交通出版社， 2015.

[2]公路桥梁加固设计规范： JTG/T J22 —2008[S]. 北京：人民交通出版社， 2008.

[3]公路桥梁加固施工技术规范： JTG/T J23 —2008[S]. 北京：人民交通出版社， 2008.

[4]公路桥梁承载能力检测评定规程：JTG/T J21 —2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.