汪芳芳，徐祖恩，嚴(yán)偉飛

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 311112；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，杭州 310006)

獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆安全分析及加固設(shè)計(jì)技術(shù)研究

汪芳芳1，徐祖恩2，嚴(yán)偉飛2

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 311112；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，杭州 310006)

近幾年，獨(dú)柱墩橋梁越來(lái)越多應(yīng)用于高速公路匝道橋梁和市政立交橋梁，在車輛超載和偏載的不利工況下，獨(dú)柱墩橋梁發(fā)生傾覆倒塌的事故時(shí)有發(fā)生。在調(diào)研浙江省內(nèi)大量具體工程的基礎(chǔ)上，對(duì)獨(dú)柱墩橋梁的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，并根據(jù)受力特點(diǎn)和病害情況提出幾種有針對(duì)性的加固設(shè)計(jì)方案，可供同類橋梁設(shè)計(jì)和加固維修參考。

獨(dú)柱墩橋梁；傾覆倒塌；加固方案

0 引 言

當(dāng)前，我國(guó)大量已建的高速公路匝道橋、城市立交由于曲線半徑小，常規(guī)的預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁適應(yīng)性較差，因此類似曲線橋梁較多采用預(yù)應(yīng)力混凝土或普通鋼筋混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱考慮，為增加下部結(jié)構(gòu)通透性，減少“柱林”的視覺(jué)效果，力求橋下視野更開(kāi)闊和橋型更美觀，同時(shí)為減少下部橋墩占用土地，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，頻繁采用獨(dú)柱墩結(jié)構(gòu)。由于公路在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中車輛超載情況較為普遍以及設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)彎梁橋結(jié)構(gòu)特性研究不透，在車輛超載和偏載等不利工況下，使得該種結(jié)構(gòu)形式的橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生支座脫空、主梁滑移等病害情況，甚至引發(fā)橋梁傾覆失穩(wěn)的安全事故。2011年2月21日凌晨，浙江省上虞市境內(nèi)的春暉立交橋的獨(dú)柱墩引橋發(fā)生坍塌，坍塌總長(zhǎng)度 120米，最高落差7米，事故造成橋上4輛貨車側(cè)翻，3人輕微傷，見(jiàn)圖1。

圖1 浙江上虞春暉立交橋事故照片

1 獨(dú)柱墩橋梁病害及原因分析

獨(dú)柱墩橋梁病害主要表現(xiàn)為：①支座脫空或剪切破壞；②主梁徑向位移引起的伸縮縫破壞；③主梁的外側(cè)滑移和側(cè)傾。縱觀國(guó)內(nèi)這些年獨(dú)柱墩橋梁發(fā)生的傾覆倒塌事故，我們不難發(fā)現(xiàn)，這些事故橋梁都有如下兩個(gè)相似之處：事故橋梁的平面線型都比較平直，位于直線段、緩和曲線或大半徑的圓曲線上；事故橋梁的中間墩都發(fā)生了不同程度的破壞。

根據(jù)獨(dú)柱墩橋梁的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)事故實(shí)地照片及破壞型式分析，發(fā)生獨(dú)柱墩傾覆倒塌的主要原因如下：

(1)對(duì)于多跨獨(dú)柱墩現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，中支點(diǎn)為單支座的多個(gè)獨(dú)柱墩，箱梁端部為雙支座，在車輛超載和偏載的共同作用下，主梁產(chǎn)生很大的橫向扭矩，由于獨(dú)柱墩自身抗扭極弱，隨著主梁扭矩的進(jìn)一步加大，獨(dú)柱墩墩柱所受的橫向彎矩和水平剪力急劇增大，當(dāng)超過(guò)獨(dú)柱墩墩柱自身承載能力時(shí)，產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致主梁傾覆。

(2)現(xiàn)行設(shè)計(jì)中，獨(dú)柱墩多用于匝道彎梁橋，由于彎梁橋自身“外梁加載、內(nèi)梁卸載”的特性以及在預(yù)應(yīng)力荷載和溫度荷載作用下，使得箱梁扭矩分布極為不均，往往由于伸縮縫處梁端扭矩極大造成內(nèi)外側(cè)支座反力極為不均，甚至在恒載作用下已出現(xiàn)負(fù)反力，在偏心荷載作用下，更加劇了內(nèi)側(cè)支座脫空等情況的產(chǎn)生。若內(nèi)側(cè)支座脫空，則導(dǎo)致主梁支承體系發(fā)生變化，且中支點(diǎn)為點(diǎn)鉸支承，隨著偏心荷載的進(jìn)一步增加，結(jié)構(gòu)變?yōu)閹缀慰勺凅w系，結(jié)構(gòu)自身無(wú)法達(dá)到自平衡狀態(tài)，從而發(fā)生主梁傾覆。

(3)對(duì)于墩梁固結(jié)的獨(dú)柱墩橋梁，通過(guò)主梁橫梁傳遞，墩柱能承受一部分主梁扭矩，對(duì)主梁的橫向扭轉(zhuǎn)變形有一定的約束作用，而設(shè)計(jì)時(shí)往往忽視了該部分作用，特別是墩柱較矮的獨(dú)柱墩，由于剛度較大分配到的扭矩相應(yīng)增加，在偏心荷載或車輛超載以及溫度力的共同作用下，截面配筋往往不能滿足結(jié)構(gòu)受力要求，產(chǎn)生裂縫，橋梁的耐久性和安全性降低，在極端不利工況下，墩柱易產(chǎn)生塑性破壞，導(dǎo)致主梁倒塌。

2 獨(dú)柱墩加固設(shè)計(jì)方案研究

2.1 加固設(shè)計(jì)思路

本著安全第一，對(duì)結(jié)構(gòu)外觀改變小，影響交通時(shí)間短、經(jīng)濟(jì)合理、施工簡(jiǎn)便的原則，根據(jù)前述獨(dú)柱墩發(fā)生傾覆事故的原因分析，獨(dú)柱墩加固設(shè)計(jì)方案主要設(shè)計(jì)思路為：

(1)針對(duì)中支點(diǎn)獨(dú)柱墩單點(diǎn)鉸支座不能提供有效主梁抗傾覆力矩的缺陷，通過(guò)加固措施，改善主梁扭矩分布和提高主梁橫向穩(wěn)定性。

(2)針對(duì)在超載和偏載工況下箱梁端部曲線內(nèi)側(cè)支座脫空的病害，通過(guò)施加主動(dòng)或被動(dòng)措施，如端橫梁接長(zhǎng)加大支座間距、在支座易脫空側(cè)設(shè)置拉桿、上部結(jié)構(gòu)單側(cè)壓重、更換或增加抗拉支座等方法，可有效解決支座脫空引起主梁支承體系發(fā)生變化的問(wèn)題。

(3)針對(duì)獨(dú)柱墩彎梁橋在溫度力、偏心荷載作用下，易發(fā)生“橫向爬移”的結(jié)構(gòu)特性，通過(guò)在獨(dú)柱墩墩頂設(shè)置限位裝置，可有效限制梁體往外扭轉(zhuǎn)及爬移。

2.2 中間獨(dú)柱墩單點(diǎn)支撐改雙(多)點(diǎn)支撐方案

獨(dú)柱墩單點(diǎn)支承改雙(多)點(diǎn)支承加固方案主要是采用墩柱加寬或增設(shè)墩柱、蓋梁的方式進(jìn)行加固，由原先的單點(diǎn)鉸支座調(diào)整為雙(多)支座，增設(shè)的支座建議采用拉壓支座。該種加固方案施工作業(yè)面均在橋梁的下部空間，對(duì)橋面交通基本無(wú)影響；且對(duì)原橋墩外觀改造較少，美觀上基本沒(méi)有影響。

針對(duì)具體的橋墩型式和實(shí)地條件，該種加固方案主要有以下幾種方式：

(1)獨(dú)柱墩墩身拼寬，該種加固方式主要適用于矩形墩身、單排樁基礎(chǔ)結(jié)合承臺(tái)的下部結(jié)構(gòu)型式，通過(guò)在原有墩柱兩側(cè)植筋，使得新老砼形成整體，墩頂橫向加寬，具備增設(shè)支座的條件，如圖2(a)所示。

(2)獨(dú)柱墩雙側(cè)或單側(cè)新增樁柱，該種加固方式主要適用于樁柱式墩，如圖2(b)所示，為滿足樁基間距要求或箱梁底寬較窄，往往該種加固方案箱梁橫梁需接長(zhǎng)，橫梁接長(zhǎng)可采用箱梁梁體植筋再澆筑接長(zhǎng)段砼，但該種方式需短時(shí)封閉交通，否則由于橋面行車引起的振動(dòng)不利于新澆砼初凝，新老砼結(jié)合面易產(chǎn)生裂縫。為避免上述問(wèn)題，可采用鋼橫梁接長(zhǎng)的方式，如圖2(e)所示，該方法施工安裝方便迅速，無(wú)需封閉交通。

(3)獨(dú)柱墩墩頂增設(shè)蓋梁，該種加固方式主要適用于樁柱式墩，且本身獨(dú)柱墩有足夠的剛度，能滿足最不利工況下墩身承載力要求，或者上部主梁橋面較窄的情況。通過(guò)在墩柱頂對(duì)穿鋼筋或在蓋梁頂設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力，澆筑新增蓋梁砼，實(shí)現(xiàn)由單支座調(diào)整為雙(多)支座，如圖2(c)和圖2(f)所示。

圖2 單點(diǎn)支承改雙(多)支座加固示意圖

2.3 端橫梁接長(zhǎng)，在原支座外側(cè)增設(shè)拉壓支座方案

該加固方案通過(guò)在橋臺(tái)處(或者過(guò)渡墩處)上部結(jié)構(gòu)箱梁端橫梁橫橋向引出接長(zhǎng)，增設(shè)拉壓支座。新增設(shè)支座通過(guò)適當(dāng)拉大間距設(shè)置，從而提高梁端梁體抗扭能力。該加固方案能有效改善活載作用下梁體受力，改善兩側(cè)支座受力狀態(tài)，當(dāng)梁體扭轉(zhuǎn)或出現(xiàn)較大變位，新增設(shè)支座能發(fā)揮支撐作用，同時(shí)在接長(zhǎng)的端橫梁外側(cè)設(shè)置限位擋塊，能有效限制梁體往外扭轉(zhuǎn)及向外側(cè)爬移，從而保證行車的安全，如圖3所示。

圖3 伸縮縫處橫梁接長(zhǎng)方案示意圖

2.4 上部結(jié)構(gòu)壓重處理方案

該種加固方案通過(guò)壓重的方式消除設(shè)計(jì)工況下彎梁橋內(nèi)側(cè)可能出現(xiàn)的較小的負(fù)反力，使內(nèi)側(cè)支座在設(shè)計(jì)工況下不脫空，但不能解決嚴(yán)重超載下的橋梁穩(wěn)定問(wèn)題。壓重方式可選用在曲線內(nèi)側(cè)護(hù)欄外包混凝土，端橫梁拼寬，也可在箱梁內(nèi)堆載壓重，見(jiàn)圖4。采用在曲線內(nèi)側(cè)護(hù)欄外包混凝土或者端橫梁拼寬的方式，新舊混凝土粘結(jié)可采用環(huán)氧砂漿和植筋。該方案施工較簡(jiǎn)單，并且基本不會(huì)影響橋梁外觀。采用在箱梁內(nèi)堆載壓重的方式，由于已建橋梁箱內(nèi)壓重需要開(kāi)孔，且獨(dú)柱墩曲線梁橋一般跨徑不大、梁高不高，不方便施工，所以不建議采用。

圖4 上部結(jié)構(gòu)壓重處理方案示意圖

2.5 聯(lián)端處上下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置拉桿方案

在聯(lián)端處上下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置拉桿主要有兩種方式，即常規(guī)的被動(dòng)拉桿(如圖5(a)、(b))和主動(dòng)施加預(yù)應(yīng)力的拉桿(如圖5(c))，通過(guò)設(shè)置拉桿，在活載偏載作用下限制梁體往外扭轉(zhuǎn)、內(nèi)側(cè)支座脫空。但不能解決梁體側(cè)向滑動(dòng)的問(wèn)題，建議結(jié)合獨(dú)柱墩頂設(shè)限位裝置的加固方案一起使用。

(1)被動(dòng)拉桿：在梁體及橋臺(tái)臺(tái)帽(過(guò)渡墩蓋梁)上設(shè)置鋼構(gòu)件作為承力構(gòu)件,恒載狀況下不承受拉力，僅在活載作用下起到限制梁體往外扭轉(zhuǎn)、內(nèi)側(cè)支座脫空的作用。該方案構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工便利，且加固施工過(guò)程中基本不影響橋梁的正常營(yíng)運(yùn)。但該方案對(duì)橋梁在溫度力、活載作用下的伸縮變形有一定的約束作用，建議在箱梁處留一定空隙可以自由滑動(dòng)，以適應(yīng)橋梁在溫度變化引起的或者汽車荷載作用下的縱向變位。

(2)預(yù)應(yīng)力拉桿：在梁體及橋臺(tái)臺(tái)帽(過(guò)渡墩蓋梁)上設(shè)置鋼構(gòu)件作為承力構(gòu)件，梁體承力構(gòu)件及橋梁橋臺(tái)臺(tái)帽(過(guò)渡墩蓋梁)采用預(yù)應(yīng)力鋼拉桿拉緊。鋼拉桿可采用40CrNiMoA特殊鋼材。加固可根據(jù)計(jì)算最大負(fù)反力設(shè)計(jì)拉桿預(yù)拉力，并保證由于通車后活載及溫度等效應(yīng)引起的拉力增量有較大的富余，同時(shí)也避免高應(yīng)力狀態(tài)下的鋼材疲勞問(wèn)題。該方案通過(guò)主動(dòng)施加一定的拉緊力，可改善恒載及預(yù)應(yīng)力下梁體的受力狀態(tài)，使得各個(gè)工況下均不會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力，能有效限制梁體往外扭轉(zhuǎn)，從而保證行車的安全。但采用預(yù)應(yīng)力拉桿后要確保梁體的縱向自由滑動(dòng)。施工時(shí)需臨時(shí)封閉交通在箱梁頂板開(kāi)槽口以安裝拉桿，并保證局部受壓及抗剪的安全性。

圖5 聯(lián)端處上下部結(jié)構(gòu)間設(shè)置拉桿方案示意圖

2.6 設(shè)置抗拉支座方案

該方案采用更換拉壓支座來(lái)承受最不利工況下支座的上拔力。更換拉壓支座時(shí)需用千斤頂將支座處梁體頂高，脫出原支座，施工較為復(fù)雜，同時(shí)由于原抗壓支座安裝時(shí)，植入螺栓套筒與墩臺(tái)帽之間一般僅采用普通砂漿灌漿，而抗拔支座必須采用環(huán)氧砂漿灌漿以保證粘結(jié)力，因此僅更換拉力支座、不更換支座錨桿并不能有效發(fā)揮其抗拔能力。

因此對(duì)于在建或未建橋梁，在支座未安裝時(shí)，可考慮直接更換拉壓支座。該加固方案適合于獨(dú)柱墩單支座改為雙(多)支座方案以及端橫梁接長(zhǎng)方案一起配合使用。

2.7 獨(dú)柱墩處設(shè)置限位裝置方案

在獨(dú)柱墩處設(shè)置限位裝置方案可與設(shè)置拉桿方案結(jié)合使用(見(jiàn)圖6)，以有效限制梁體往外扭轉(zhuǎn)及爬移。

限位裝置在箱梁底部及獨(dú)柱墩設(shè)置鋼構(gòu)件，鋼板采用錨固鋼筋與箱梁底部可靠連接，在獨(dú)柱墩上設(shè)地腳螺栓與鋼板箍固定。限位裝置中所有鋼材均應(yīng)采用鍍鋅材料，以免銹蝕。

圖6 獨(dú)柱墩處限位裝置示意圖

3 獨(dú)柱墩加固方案綜合比選

以下從施工特點(diǎn)、難易程度以及對(duì)現(xiàn)行交通的影響和使用效果等方面對(duì)各加固方案進(jìn)行綜合比選，具體如表1所示。

表1 獨(dú)柱墩加固方案綜合比選表

綜合上表所述，結(jié)合目前我省已實(shí)施的獨(dú)柱墩加固方案，獨(dú)柱墩單支座改雙(多)支座以及端橫梁接長(zhǎng)增設(shè)拉壓支座方案加固效果明顯，且施工較為簡(jiǎn)單、對(duì)現(xiàn)行交通的影響較小，其他加固方案可結(jié)合橋梁實(shí)際受力及運(yùn)營(yíng)情況作為輔助加固手段配合使用。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著近十幾年我國(guó)交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，獨(dú)柱墩橋梁廣泛應(yīng)用于各類市政和互通區(qū)匝道橋梁，由于前期設(shè)計(jì)對(duì)當(dāng)前汽車超載、交通流量迅猛增長(zhǎng)等客觀因素預(yù)估不足，且對(duì)該類橋梁橫向傾覆穩(wěn)定性認(rèn)識(shí)不足，使得該類獨(dú)柱墩橋梁在超載和偏載等最不利工況下存在橫向傾覆失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，建議現(xiàn)階段相關(guān)職能和管理部門應(yīng)盡早落實(shí)對(duì)該類橋梁進(jìn)行系統(tǒng)的排查和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，及時(shí)進(jìn)行加固，防患于未然。同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步完善和修改現(xiàn)行規(guī)范，對(duì)類似橋梁的結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)造措施及使用要求提出明確的規(guī)定。

針對(duì)新建橋梁，應(yīng)謹(jǐn)慎使用獨(dú)柱墩，若受外界條件制約，必須使用獨(dú)柱墩時(shí)，應(yīng)根據(jù)每座橋的實(shí)際情況，充分重視結(jié)構(gòu)支承體系的布置以及在恒載、預(yù)應(yīng)力和溫度力作用下主梁的扭矩分布和在偏心荷載作用下的主梁橫向抗傾覆驗(yàn)算，必要時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全、可靠。

[1]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]．

[2]JTG D62-2004, 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[3]姚玲森．橋梁工程[M]．北京：人民交通出版社，2008．

[4]邵容光．混凝土彎梁橋[M]．北京：人民交通出版社，1996．

[5]劉春樂(lè)．曲線梁橋的維修加固與工程應(yīng)用[D]．長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2005.

[6]楊黨旗,崔飛．獨(dú)墩單鉸支座曲線梁橋通病分析及治理[J]．城市道橋與防洪,2003,(3):35-38.

[7]李盼到，張京，王美．獨(dú)柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算方法研究[J]．世界橋梁，2012,40(6):52-56.

[8]林曉娟．獨(dú)柱墩橋梁常見(jiàn)問(wèn)題及原因分析[J]．工程與建設(shè),2013,27(2):198-200.

Safety Analysis of Toppling Prevention of Single-pier Bridges and Reinforcement Design Technology

WANG Fang-fang1，XU Zu-en2,YAN Wei-fei2

(1.Zhejiang Institute of Communications, Hangzhou 311112,China； 2.Zhejiang Provincial Plan Design & Research Institute of Communications, Hangzhou 310006,China)

In recent years, more and more bridges supported by single-column piers were applied to the ramp’s bridges of expressway and municipal flyovers. Under the bad working condition of the vehicle overloading and partial load, the bridges supported by single-column piers usually collapsed or capsized. Based on the investigation of a lot of engineering in Zhejiang province, the structure characteristics of the bridges supported by single-column piers are analyzed. According to the mechanical characteristics and the typical disease analysis，several targeted reinforcement scheme is put forward, which can provide references for the bridge of the same type.

single-pier bridge；collapse or capsize；reinforcement scheme

2014-10-23

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013YK02)

汪芳芳(1978-)，女，安徽東至人，高級(jí)工程師，碩士，E-mail：wangff@zjvtit.edu.cn。

U445.72

A ?

10.3969/j.issn.1671-234X.2014.04.003

1671-234X(2014)04-0013-06