曲线独柱墩桥梁倾覆原因及加固措施

易敬 周健玮

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

0 引言

独柱墩桥梁一般在桥台或过渡墩处设置双支座，但为了增强桥下通透性并使桥下结构看起来更美观，在跨中位置会采用单柱单支座的方式。从稳定性上分析，在汽车偏载、离心力、径向预应力等荷载作用下，会对墩柱墩桥梁整体结构的横向抗倾覆稳定性造成影响，甚至会导致主梁存在倾覆失稳的可能。因此，对现役和在建公路独柱墩桥梁横向抗倾覆性能进行一次全面排查和评估，能够有效预防倾覆事故的发生，具有较强的工程实际应用价值。

1 工程概况

某交叉匝道桥坐落于G75兰海高速贵阳段，是一座现浇钢筋混凝土连续曲线箱梁桥，跨径组合为16m+5×22m+16m，桥梁全长166m。该桥桥台处横向设置双支座，间距为2.9m；独柱墩个数为6个，其中1号墩、6号墩为释放墩，2号墩～5号墩为固结墩。

按贵州省人民政府《排查风险隐患桥梁》工作提示精神，相关部门对兰海高速贵阳段公路独柱墩桥梁实施了抗倾覆核查验算，该桥加固前抗倾覆系数为1.2，存在支座脱空问题，不满足规范要求，结果如表1所示。

表1 抗倾覆计算验算结果

图1 桥型布置图

2 独柱结构特点与倾覆原因分析

2.1 独柱墩桥梁结构特点

采用整体截面支座支承（连续或简支）的独柱墩桥梁，其上部结构的侧向倾覆稳定性较差。其中，预制拼装上部结构支座支承或墩梁固结的独立柱墩桥梁，边墩支座脱空或出现负反力是重点，而侧向倾覆则非关注重点。从侧向倾覆稳定性的角度来看，支座支承的直线桥和曲线桥，两者的受力特性有明显区别。直线桥的主梁仅产生弯矩和竖向变形，而曲线桥则具有明显的“弯扭藕合”特性。成桥状态下的曲线桥，因联端内外支座存在反力差，且平曲线半径越小，联端支座更易脱离正常受力状态，故较直线桥存在初始扭转效应，更易脱空。在整联支座构成的支承面中，倾覆轴线是以最不利情况来确定。

2.2 独柱墩桥梁倾覆原因

2.2.1 严重超载和集中偏载

相关调查结果表明，发生倾覆事故桥梁的实际荷载与设计荷载比值在1.88至3.27之间，寿命重载车辆的偏载作用是独柱墩桥梁倾覆的重要原因。

2.2.2 支承间距较小

发生倾覆事故的桥梁，基本都是采用联端横向双支座支承+联中单支座支承的整体式箱梁桥，桥梁宽度与多支承间距比较大，在外部不利荷载的作用下，很容易发生倾覆现象。

3 抗倾覆加固方案

3.1 抗倾覆加固原则

在设计抗倾覆加固方案时，应结合独柱墩桥梁倾覆特征状态、桥梁地理位置及自然环境，在满足提高桥梁抗倾覆稳定性能的前提下，确保其安全可靠、造价合理、施工便捷，同时须将抗倾覆整改加固施工对交通通行的影响降到最低。

3.2 常用抗倾覆加固措施

根据独墩柱桥梁倾覆特征状态，目前常用的抗倾覆加固措施主要有4种，分别是设置抗拉拔装置；新增辅助桥墩；增大桥墩截面，改单支承为多支承；加钢盖梁，改单支承为多支承。上述4种常用抗倾覆措施的特点及适用条件如表2所示。

表2 常用抗倾覆加固措施对比

3.3 抗倾覆加固方案确定

根据类似项目以往常规通用的抗倾覆加固措施，结合桥梁所处地理位置，本次独柱墩桥梁抗倾覆加固方案为：在原1号、6号独柱墩墩顶增设钢盖梁，将单点支承调整为横向三点支承，设置支承间距为140cm，并在桥台处增加拉拔装置，如图2和图3所示。

图2 加固方案构造图（单位：cm）

图3 支座布置平面图

3.4 抗倾覆加固施工流程

根据桥梁实际状况，并结合交通需求，抗倾覆加固施工具体步骤如下：中横梁底板黏贴钢板；安装梁底调平钢板；安装吊装钢结构盖梁半结构；安装支座；调节梁底调平钢板螺母，保证调平钢板与支座之间的预压力不低于5kN；增设支座脱空抗拉拔装置；采用聚合物改性水泥砂浆填充梁底调平钢板与梁底之间的间隙。

4 抗倾覆加固后计算

4.1 结构计算分析指标

4.1.1 永久作用

（1）结构自重

①一期恒载：自重系数-1.04。

②二期恒载：桥面铺装、护栏。

（2）徐变收缩

由程序自动计算各构件的理论厚度。

（3）支座沉降

沉降值△=0.01m。

4.1.2 可变作用

（1）温度作用

温度采用原设计体系升温、降温为25℃，温度梯度按照规范取值。

（2）汽车荷载

原设计荷载等级。

4.2 整体计算

整体计算模型如图4所示。

图4 计算模型

采用钢盖梁+拉拔装置加固后，支座始终保持受压状态，未发生脱空，特征状态1满足规范要求，如表3所示；最小抗倾覆稳定性系数为3，特征状态2满足规范要求，如表4所示。

表3 特征状态1 验算结果

表4 特征状态2 验算结果

4.3 钢支撑局部验算

采用有限元计算支座间距1.4m钢支承，钢板最大受力强度239MPa，小于Q420钢材380MPa要求，计算结果如图5所示。

图5 钢支承静力分析结果图（MPa）

4.4 拉拔装置验算

由于该桥2号墩～5号墩为固结墩，且处于曲线上，为防止该桥出现不满足特征状态1的情况，特在桥台处设置了抗拉拔装置。整体计算得知，该桥桥台处最大脱空力为49.5kN，该桥设置的拉拔装置可抵抗500kN拉拔力，现按照500kN拉拔力计算验证装置，结果如图6所示。

图6 拉拔装置静力分析结果图（MPa）

4.5 横隔梁验算

由于底板横隔梁经加固后，由单支点受力转化为三支点，改变了横隔梁受力方式，因此验算需要底板横隔梁。

该桥以跨中断面控制计算，安全等级为I级。计算模型如图7所示，共划分为16个单元、17个节点。计算中，笔者考虑了结构自重、横向预应力、二期恒载、均匀温度（升温25°C，降温25°C）、梯度温度（桥面板上下侧温差5°C）、收缩徐变、汽车荷载（计入冲击系数为1.2），计算中未考虑主梁纵向对横向内力的影响，计算工况如表4所示。

图7 加固前后底板横隔梁支承方式

表4 各工况下车轮荷载值

4.5.1 加固后三支点极限承载力验算

加固后横隔板处改成三支点受力，横隔板弯矩包络图如图8所示，抗弯承载力极限满足规范要求。

图8 加固后横隔板弯矩包络图（KN.m）

4.5.2 加固后三支点标准应力组合验算

加固后横隔板标注组合下应力包络图如图9所示，应力验算跨中出现最大拉应力0.6Mpa，小于C50混凝土开裂强度1.89Mpa，满足规范要求。

图9 加固后下缘应力图（MPa）

5 结束语

我国部分地区的独柱墩桥梁因建设较早且存量较大，在建设过程中没有采取有效对策，致使其中一些独柱墩桥梁的抗倾覆性能达不到现行规范要求，独柱墩桥梁总体抗倾覆能力还有待提高。因此，加强对独柱墩桥梁养护管理，对现役和在建公路独柱墩桥梁开展一次全面排查，保障独柱墩桥梁运行安全应是桥梁养护管理人员重点关注的问题。本文分析了独柱墩桥梁的结构特点及横向倾覆原因，并在此基础上结合工程实例，提出了独柱墩抗倾覆加固方案，验算了加固后桥梁的抗倾覆稳定性和局部构造，可为同类型工程提供有效借鉴。