某高速公路独柱墩桥梁抗倾覆加固设计研究

胡祥森，郑可卿，余茂峰

（浙江数智交院科技股份有限公司，杭州 310030）

1 工程概况

早期公路设计时考虑到外形美观、已建工程的空间限制、防洪影响、工程经济性等因素，桥梁下部结构设计采用了较多的独柱墩。随着我国经济发展，载重货车比例不断提高，超载现象时有发生，独柱墩桥梁抗倾覆安全富余度不足的问题日益突出。独柱墩桥梁在超载车辆作用下易出现支座脱空、主梁滑移等不利情况，甚至发生桥梁失稳倾覆的安全事故，造成较大的社会影响。

某高速公路2004年左右建成，里程长达120 km，互通、枢纽众多，虽然在2011年进行了初次加固，但目前仍存在大量独柱墩桥梁，且该高速交通繁忙、重载交通占比高、荷载工况复杂，对该高速上的独柱墩桥梁进行抗倾覆加固有着很强的必要性和迫切性。结合《公路危旧桥梁排查和改造技术要求》（交办公路函〔2021〕321号）（以下简称《技术要求》）及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条对桥梁抗倾覆提出的新要求[1，2]，本文对该高速公路独柱墩桥梁的抗倾覆加固设计方案进行了深入研究，可为类似工程提供借鉴。

2 加固设计原则

2.1 设计原则

根据本项目的特点，在本次加固设计中贯彻以下总体设计原则：

1）根据“安全第一、科学评估、突出重点、分类施策”的总体原则开展本项目独柱墩加固改造工作。

2）根据排查及验算结果，对同一联中连续设置3个及以上独柱墩的、抗倾覆验算不满足相关规定或有严重抗倾覆相关病害的桥梁进行抗倾覆加固提升。

3）独柱墩桥梁的加固改造应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，结合具体结构形式进行多方案技术经济比较后确定。

4）作为加固工程，在技术方案的选择上，应注意节约资源、减少对交通的干扰。

2.2 排查验算原则

独柱墩桥梁梁体倾覆病害的发生具有明显的阶段性，桥梁结构在行车偏载影响下，表现出某一单向支座脱空现象，此为倾覆第一阶段，也是倾覆过程的开始；随着荷载的持续增加，单向支座依次持续脱空，边界条件呈现非线性，致使桥梁上部结构倾覆力矩达到或超出桥梁结构自重所具有的抗倾覆力矩而引发梁体失稳，此为倾覆第二阶段，也是结构失稳的临界状态；之后，上部结构的支撑体系不再提供有效约束，上部结构变形或受力失稳，以致倾覆、垮塌，支座、下部结构连带损坏，是结构失稳的最终状态。

独柱墩桥梁典型倾覆破坏过程如图1所示。

图1 独柱墩桥梁典型倾覆破坏过程

现行规范通过控制桥梁结构不出现特征状态1及特征状态2来避免桥梁梁体倾覆破坏的出现。

《技术要求》规定，公路独柱墩桥梁验算应按照JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第4.1.8条进行，要求：

1）桥梁在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态。

2）在作用标准值组合下，整体式梁桥的抗倾覆安全性系数应不小于2.5。

《技术要求》同时规定，汽车荷载取用标准应按现行规范执行；对同一联中连续3个及以上桥墩均为独柱墩的桥梁及验算不满足或有严重抗倾覆相关病害的桥梁，应判定为有倾覆安全风险。该项目在验算时主要遵循以下原则：

1）验算时汽车荷载采用JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》规定的公路-Ⅰ级荷载[3]。

2）按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条验算两种特征状态，验算特征状态1时（单向支座保持受压状态）取基本组合；验算特征状态2时（抗倾覆系数）取标准组合。恒载计算时需考虑自重、收缩徐变、基础变位等效应并按规范规定进行组合。

3）根据《技术要求》及JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》，验算结构抗倾覆的两种特征状态时，布置单列车时，横向车道布载系数取1.2。

4）计算时有关活载及其组合按现行规范的规定执行。

5）曲线桥梁需考虑内外侧腹板长度、护栏长度、钢束长度等的差异。

6）一联中有墩梁固结的，应连同下部结构共同建模，做好抗倾覆及墩柱承载力的核查。

7）预应力、施工阶段对支座反力的分配有一定影响，计算时予以考虑。

具体抗倾覆验算可采用桥梁博士或Midas Civil软件，按空间杆系有限元模型分析方法进行计算，很多文献已对此进行了论述[4]，其过程本文不再详述。

3 加固方案选择

根据独柱墩的倾覆特点，独柱墩桥梁的加固措施一般可以从改变结构破坏模式（如单支座改为墩梁固结）、提高结构稳定性能（如增大墩台支座间距或单点支承改为多点支承）和设置冗余约束（如设置限位构造、抗拔装置）3个方面考虑。但改变结构破坏模式适用条件较严格，对立柱结构上下部承载力有影响；而设置冗余约束不能从根本上提高结构的抗倾覆性能，且其可靠性和耐久性较难保证（湖北黄石花湖互通独柱墩桥梁倾覆事故即是采用了设置抗拔措施的冗余约束的加固方法），所以本项目加固改造尽量保证结构支承体系不变，考虑采用更加可靠的提高结构稳定性能的措施，即将同一桥墩原来的单点支承改为多点支承（或将小间距双支座间距拉大，改为大间距多点支承）的方法，以构成结构的抗扭支承，加强对结构扭矩和扭转变形的约束，增强结构抗倾覆能力。

考虑该高速公路的独柱墩桥梁均设置有承台结构，且在2011年部分独柱墩桥梁已进行了初次加固，结合项目实际情况，本文针对性地提出了4种加固方案进行比较。

3.1 方案一：墩柱拼宽

采用植筋方式，加大桥墩截面，并在墩顶处设置左右外挑的牛腿，在牛腿上新增支座，形成多点支承（见图2）。

图2 方案一示意图

对原来没有在承台上进行墩柱拼宽加固处理的桥墩，在桥下条件满足且桩基验算通过的情况下，一般均可采用该方案。该方案增大了桥墩截面，对原来设固定支座、墩高较高或横向弯矩较大的墩，具有明显优势。

3.2 方案二：增设钢盖梁

制作钢盖梁、钢套箍，在墩顶打孔并植入螺栓，安装钢盖梁；在立柱上凿毛，分段安装钢套筒并注浆；在钢盖梁顶左右增设支座，钢构件安装完成后应及时进行防腐处理（见图3）。

图3 方案二示意图

该方案通过在钢盖梁上增设支座形成多点支承；立柱新增钢套筒可和盖梁共同承担钢盖梁传递下来的竖向力，同时钢套筒可确保立柱安全。该方案结构轻盈，但增加了桥墩受力，养护要求稍高。该方案在桥宽不大、桥墩受力验算满足时较适用。

3.3 方案三：横梁接长并增设钢盖梁

植筋，接长上部箱梁的横梁；在原来已拼宽加固过的墩柱墩顶打孔并植入螺栓，安装钢盖梁；在钢盖梁顶左右增设支座，钢构件安装完成后应及时进行防腐处理（见图4）。

图4 方案三示意图

该方案通过在钢盖梁上增设支座，将小间距双支座间距拉大，改为大间距多点支承。该方案结构轻盈，但养护要求稍高。该方案可以在已加固过的桥墩上进行二次加固时使用。

3.4 方案四：横梁接长并新增立柱桩基

在原独柱墩两侧打设新增的立柱、桩基，桩基施工完成后进行植筋，接长上部箱梁的横梁；最后在两侧柱顶各设置一个新增支座（见图5）。

图5 方案四示意图

桥墩横桥向新增立柱以确保工程结构安全，新增设支座通过适当拉大支承间距，提高梁端梁体抗扭能力。

该方案后期养护要求低，可用于其他加固方案设置后桩基承载力验算不能满足的情况，也适用于原墩柱已进行加固处理的情况。但该方案桥下占用空间较大，桩基施工时对净高要求较高，采用该方案时需严格核查桩基布置及施工空间。

3.5 方案比较

从施工便利性、交通影响、经济性及景观效果等方面，对上述加固方案进行比较，比较情况见表1。

表1 独柱墩加固方案比较表

从比较情况可以看出，方案一施工便利、交通影响小、经济性好、后期养护方便且景观影响小，针对本项目独柱墩接承台的情况也较适用，故选择方案一（墩柱拼宽）作为本项目加固时的推荐方案；方案二结构轻盈，基本不增加墩身质量，对桩基受力及落墩空间要求不高，但造价稍高，在方案一难以采用时，方案二（增设钢盖梁）作为可选方案进行补充。

本项目加固设计时，结合桥位处的具体条件，考虑下穿情况、桥下空间、地形条件及原桥梁设计情况等，根据验算结果，采用“一桥一设计”的方法，按以下原则选择合适的加固方案：

1）一般情况下，桥下空间及桩基受力满足时，采用方案一（墩柱拼宽）。

2）当不能采用方案一时，在桥墩受力满足的情况下，采用方案二（增设钢盖梁）。

3）当采用方案一和方案二仍不能满足要求时，可根据具体情况采用方案三（横梁接长并增设钢盖梁）或方案四（横梁接长并新增立柱桩基）。

结合排查验算情况及桥位处具体条件，最终该高速公路桥梁独柱墩加固时，大部分桥墩采用了方案一（墩柱拼宽）进行加固，个别位于中分带内或桥下空间不足的情况采用了方案二（增设钢盖梁），没有采用方案三或方案四的情况。

该工程最终加固的独柱墩桥梁共56联；经加固，这些独柱墩桥梁的基本组合最小反力由-383.1 kN提升至42 kN，最小抗倾覆系数由1.48提升至4.1。

4 推荐方案设计

推荐的墩柱拼宽加固方案为较复杂的新老混凝土接合的牛腿式受力，为确保大面积应用的加固方案安全可靠，本文对推荐的墩柱拼宽方案进行了详细研究。

4.1 方案设计

立柱横向加宽，并在顶部1.7 m高度范围内横向外挑设牛腿；纵桥向每侧加厚约25 cm；在墩柱加厚范围内顶部牛腿处每侧设置2排25 mm横向拉杆，竖向间距10 cm，单侧5层共10根；在墩柱加宽范围内顶部牛腿处设置横向锚固钢筋并植入原立柱内。为方便安装新增支座，墩顶55 cm高度范围内的混凝土采用后浇，待新增支座安装完毕后再进行浇筑。墩柱拼宽方案的主要构造图详见图6；以原结构独柱墩直径1.3 m为例，改造后墩顶宽度4.1 m，墩底宽度2.5 m，墩厚1.8 m，新增支座间距3.2 m。

图6 墩柱拼宽方案构造示意图

4.2 方案验算

为验证加固方案的结构强度及评价桥墩新老混凝土接合面的受力性能，本文采用ABAQUS计算软件建立了实体有限元模型对推荐的加固方案进行了分析。

模型按照支座、圆柱、新增混凝土、新老混凝土交界面以及钢筋5部分建模；混凝土截面之间采用绑定连接，钢筋采用内置算法内置于混凝土结构内；新老混凝土交界面为模型连接单元，根据试算结果确定是否采取刚度折减，以模拟新老混凝土连接；模型边界条件为桥墩底部固结。

根据设计需要，分别按照3 MN、3.5 MN和4 MN在新增支座位置进行加载计算。实体有限元模型各结构应力示意图如图7所示。

图7 实体有限元模型各结构应力示意图

由表2可知，各结构应力远小于对应材料强度设计值，均满足要求；推荐的加固方案安全、可行。

表2 各结构最大应力值与材料强度对比表MPa

5 结语

早期公路设计时大量采用了独柱墩结构桥梁，近年来独柱墩桥墩的稳定性问题逐渐显现，多次发生超载导致桥梁倒塌、倾覆、落梁等事故，引发了社会的广泛关注，造成了较大影响。本文结合《公技术要求》及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条对桥梁抗倾覆提出的新要求，对某高速公路独柱墩桥梁的抗倾覆加固从设计及验算原则、加固方案选择到加固方案设计及计算做了详细介绍，可为类似工程提供借鉴。