独柱墩桥梁抗倾覆性分析与加固设计

李琛，陈绪栋

（1.中国公路工程咨询集团有限公司，湖北 武汉 430023；2.阳新县交通运输局，湖北 黄石 435200）

独柱墩桥梁由于其经济性与环境适应性较好的优点，在早期桥梁设计中被大量采用，但近年来该类桥梁倾覆事故频发，造成严重的安全事故和经济损失，尤其是在2021 年12 月湖北鄂州境内沪渝高速匝道桥发生倾覆事故后，独柱墩再次得到社会的广泛关注。1980 年，斯特里特在分析桥梁的倾覆时，首次提出了稳定系数法[1]。随后的一百多年中，国内外以此作为理论依据进行研究，如冯睿为[2]经过研究发现我国现行规范中存在一些条文问题，并以实际工程为依据提出了一些抗倾覆的建议。秦延飞、杨泽伟[3]经过数值模拟具体分析广东省某桥梁的抗倾覆稳定性，提出了用三支座钢盖梁方案代替独柱墩单支座方案，经过验算该方案能显著提高箱梁抗倾覆稳定性。本文以广东某高速公路匝道桥为实例，按照广东省地方相关文件和国家规范，进行抗倾覆稳定性分析，经过验算，原设计不满足相关要求，经过多个加固方案对比后，确定了最终能满足相关要求的加固方案，能为同类型桥梁独柱墩加固作参考。

1 工程概况

祥周枢纽互通式立体交叉B 匝道桥位于广东某高速公路互通内，施工图设计日期为2002 年，全桥共一联（16+2×20+16）m，桥面布置为：防撞护栏（0.5m）+11m（行车道）+防撞护栏（0.5m）。箱梁为单箱双室截面，顶板宽度为12m，底板宽度7m，悬臂2.5m，直腹板，梁高1.1m，下部为柱式墩和独立基础，全桥均采用板式支座，由于1～3 号墩采用独柱墩，故需对整桥进行抗倾覆验算。祥周枢纽互通式立体交叉B 匝道桥原设计平立面和剖面图如图1 所示。

图1 祥周枢纽互通式立体交叉B 匝道桥原设计平立面和剖面图

2 原设计模型抗倾覆稳定性验算

2.1 计算依据

根据《广东省高速公路独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆安全性评估验算指导意见》（简称《指导意见》）多车道布载规定：当横桥向仅布置一条车道汽车荷载时，其横向车道布载系数采用1.0，汽车荷载效应（含汽车冲击力）分项系数采用3.4。当布置一条以上车道汽车荷载时，最外侧车道汽车荷载效应（含汽车冲击力）分项系数采用3.4，其余车道分项系数按现行规范采用，全部车道的横向车道布载系数均按现行规范采用。

2.2 模型建立

采用Midas Civil 2022 有限元软件建立祥周枢纽互通式立体交叉B 匝道桥原设计上构模型，分析该独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性。上部结构主梁采用C40 等级混凝土，抗压强度设计值为18.4Mpa，弹性模量为3.25×104Mpa，容重为26KN/m3；二期恒载：单侧防撞栏9.3kN/m，桥面铺装：100mm 厚沥青混凝土，容重24KN/m3；重力等效系数：-1.04；系统温度：±25℃；温度梯度：±5℃；由于其为既有老桥，故支座沉降选取0。桥梁其余相关参数按照国家现有规范选取。由于混凝土连续梁桥的预应力布置形式对支座的反力影响较大，模型中未施加预应力会导致该处反力偏大，从而导致抗倾覆系数偏大，模型失真，故预应力的施加应该按照实际情况考虑。原设计模型如图2 所示。

图2 祥周枢纽互通式立体交叉B 匝道桥原设计计算模型

2.3 验算结果

根据计算模型和上文中提到的相关文件要求的结果可知：

（1）支座脱空验算：在基本组合作用下，大小桩号侧桥台支座均出现脱空情况，不满足相关要求。

（2）结构抗倾覆验算：汽车荷载效应（含汽车冲击力）分项系数采用3.4，在移动荷载处于最不利的情况下，验算得到抗倾覆系数为2.02，小于规范下限值2.5，故不满足规范要求。

综上所述，祥周枢纽互通式立体交叉B 匝道桥原设计计算模型抗倾覆稳定性均不满足规范要求，桥梁可能发生梁片倾覆、支座挤出、桥墩侧倾等安全事故，为了消除相关安全隐患，需对既有桥梁进行加固处理。

3 独柱墩加固方案设计

针对祥周枢纽互通式立体交叉B 匝道桥独柱墩处理方案可以从结构内外两个方面考虑：（1）减小移动荷载偏心作用，如对车辆进行限高通行，减小汽车荷载；将多车道改为单车道，减少车辆偏心距。但是此方法仅适用于通行需求不高的路段，对于高速公路，此方法会严重阻碍交通运输，因此不推荐。（2）从桥梁设计抗倾覆原理出发，增加梁体抗倾覆能力，如增加梁端自重、在梁端增加抗拔措施、将单支座系统改为墩梁固结和单支座改为三支座等方法。

由于增加梁端自重对整体结构受力不利，同时受到地基承载力等因素的限制，故在此桥中不予考虑；对于增加抗拔措施，由于会破坏梁体或者桥台的整体，而且其效果受到施工质量影响较大，故在此不推荐使用；对于将单支座系统改为墩梁固结，理论上是可以解决上构梁体倾覆的问题，该方法也比较经济，但是由于改变了整体受力体系，同时对于较高的桥墩，下部会产生较大的弯矩影响其受力，故此方法也不推荐使用。综上所述，本文推荐采用单支座改为三支座的独柱墩加固方法，常见的具体方案如下：

方案一：增加支撑墩，在独柱墩基础侧增加满足地基承载力要求的基础，直接增设钢管支顶，将C40 微膨胀混凝土灌注在钢管内，在钢管顶部设置支座，同时在新老墩柱间横向增加钢系梁。使用支撑墩方案加固后的效果图如图3 所示。此方法大大增加支座间距，故对抗倾覆稳定性系数有较大提高，与此同时，由于直接增加了墩柱和基础导致支座反力被重新分配，减小了既有桥墩和基础的受力，同时增加横向联系后也提高了墩柱的整体性能，大幅提高结构整体性。但是由于新增加基础会影响到既有基础的地基承载力，故导致墩间不能过小，因此该方法不适宜于桥面宽度较小的桥梁，考虑到该加固方案的造价较高以及需要阻断交通等因素，故此加固方案不采用。

图3 支撑墩方案加固后的效果图

方案二：独柱墩处增设钢盖梁，将预制完成的钢盖梁锚固于独柱墩顶部，同时在两侧设置与原设计同类型的支座，相关尺寸大小根据桥墩、基础、支座类型和抗倾覆验算结果等因素确定，使用钢盖梁方案加固后的效果图如图4 所示。由于此方案采用钢结构，具有施工速度快、对桥墩基础影响不大、经济性良好、对交通影响小等优势，同时也适合于桥面宽度较小的桥梁。缺点就是长时间后容易掉漆生锈，需要定期检查和补漆。

图4 钢盖梁方案加固后的效果图

综合抗倾覆效果性、经济性和社会影响性等各方面因素考虑，建议本桥采取钢盖梁方案加固。

4 加固方案及加固前后抗倾覆稳定性对比

根据上下构以及基础各部件的受力验算及方案对比得到最终的加固方案：（1）由于该桥2 号墩位于高速公路中分带，施工对交通影响较大，故只在1、3 号墩处设置钢盖梁，加固后的三支座间距为2m，桥台处不做方案调整。（2）由于加固后的独柱墩受到倾覆力矩的影响，在三支座的作用下处于偏心受压状态，既有独柱墩尺寸不满足受力要求，故将墩柱尺寸由140cm加固为180cm。（3）地基承载力在加固后满足受力要求，故基础不做调整。

基于原设计模型，修改相关参数后，加固后的模型如图5 所示。由于钢盖梁支座为后期安装支座，故只有梁体发生倾斜时候，该支座才参与受力，故在桥梁加固前后验算抗倾覆稳定性的过程中，钢盖梁处支座的永久作用标准值为0。

图5 钢盖梁方案加固设计后的计算模型

加固前后验算结果如下表1 所示：

表1 钢盖梁方案加固前后验算结果对比

根据上表可知，加固处理后的梁体在经过支座脱空验算和抗倾覆稳定性验算后，其结构安全性均得到大幅提高，满足按照《指导意见》和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）的相关要求。

5 结论

本文以实际独柱墩桥梁为例子，根据广东省地方要求和国家现有规范，使用Midas Civil 2022 有限元软件进行数值模拟，分析加固前后的验算结果，并提出相关加固措施的对比方案，得到以下几个方面的结论：

（1）根据原设计模型验算结果表明，祥周枢纽互通式立体交叉B 匝道桥支座脱空验算和抗倾覆稳定性不满足相关规定，需要进行加固处理；

（2）结合该桥梁实际情况，对比分析了四类加固方案，最终得到钢盖梁方案为最优方案；

（3）根据加固后模型验算结果显示，钢盖梁方案能大幅提高独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性能力。