羅定倫

(重慶水利電力職業(yè)技術學院，重慶 402160)

0 引言

基于獨柱墩橋梁的以上現狀，許多學者對獨柱墩的抗傾覆穩(wěn)定性和改造加固進行了研究。鄒志翔等[1]對鋼混組合梁橋獨柱墩抗傾覆性能進行了研究，研究后認為：獨柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性系數隨曲率半徑的增大呈現先減小后增大的趨勢，小半徑橋梁穩(wěn)定性最強，直線橋次之，大半徑橋梁穩(wěn)定性最差；增大支座間距及合理設置支座偏心距，可有效提高橋梁的抗傾覆能力；車速越大，橋梁穩(wěn)定性越差。游科華[2]通過建立有限元模型，對其進行了抗傾覆穩(wěn)定驗算及加固設計，研究了將中墩單點支承改為多點支承加固方法中加固橋墩個數、新增支座與原支座間距對橋梁抗傾覆穩(wěn)定性及中墩受力的影響。魏吉明[3]對獨柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性進行研究后提出了增設抗扭拉桿裝置、增設支座與蓋梁、改造橋墩結構、增加支座間距等獨柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性改造方案。魯昌河等[4]在對獨柱墩連續(xù)箱梁橋抗傾覆驗算與加固分析研究時，也提出了類似的獨柱墩改造加固方案。陳雪芬[5]結合具體的工程實例對獨柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性進行了分析和加固改造設計。王強[6]采用Midas Civil 2015 建立模型，對曲線獨柱墩連續(xù)箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性進行了研究，研究后認為：嚴控橋面負載過大是保證橋梁結構安全、提高橋梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性的一項重要舉措，需采取限制超載的措施，如采取臨時護欄等措施使車輛盡量位于箱梁中心線附近，以確保獨柱墩橋梁的安全，防止其傾覆。聶載東等[7]對事故車輛施救這一特殊工況下獨柱墩匝道橋傾覆穩(wěn)定性研究，該研究給獨柱墩穩(wěn)定性分析與改造提供了一個容易被忽略的因素。

1 獨柱墩橋梁傾覆特征分析

根據對獨柱墩橋梁傾覆事故的總結分析，發(fā)現獨柱墩橋梁傾覆往往具有以下特征。

1.1 梁截面形式特點

在已發(fā)生的獨柱墩橋梁橫向傾覆案例中，橋梁截面形式多為整體式箱梁。采用箱梁建造橋梁具有結構自重輕、材料省、施工簡，并且能提供較大抗彎剛度等優(yōu)點，所以，在連續(xù)梁橋中常采用箱梁截面形式。

1.2 支承形式特點

在已發(fā)生的獨柱墩橋梁橫向傾覆案例中橋梁在過渡墩和橋臺為采用雙支座，而在跨中橋墩處則為單支座。支座多采用單向受壓支座、固定支座和活動支座配合工作的形式，這有利于橋梁縱向水平力的傳遞，但橫向抗傾覆穩(wěn)定性富余較少。

1.3 破壞特點

從已發(fā)生的獨柱墩橋梁橫向傾覆案例中發(fā)現，獨柱墩傾覆前橋梁明顯變形往往突然發(fā)生。獨柱墩傾覆時橋梁上車載較重，偏心荷載大，與橋梁設計時考慮的荷載有一定差異。但是，獨柱墩橋梁傾覆時，常呈現出橋梁梁部整體傾覆，而梁部結構本身破壞較少，表明梁部結構自身的抗壓、抗拉承載能力仍在設計控制范圍內。

2 獨柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性影響因素研究

2.1 支座橫向間距影響

橋梁支座橫向間距較大時，上部結構的重力可以提供較大的抗傾覆力矩，阻止橋梁在受到較大偏心荷載時出現傾覆。但是，部分獨柱墩橋梁采用單支座，其橫向抗傾覆穩(wěn)定性效果較差。部分橋梁獨柱墩采用雙支座，但限于獨柱墩頂部尺寸較小，支座間的橫向間距較小，橋梁在汽車荷載偏載作用時能夠抗傾覆的彎矩也較小，抗傾覆穩(wěn)定性相對較差。

2.2 橋梁半徑的影響

由于獨柱墩具有占地少的優(yōu)點，所以獨柱墩常用在市政橋梁的匝道橋與引橋、高速公路的匝道橋等對空間占用要求比較高的場所。但是，在這些情況下，獨柱墩橋梁常采用半徑較小的曲線橋，而其上箱梁的彎扭耦合效應增大，致使箱梁受力后內外側撓度差異變大，外側撓度明顯大于內側，導致獨柱墩橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性出現較大幅度的降低，使獨柱墩橋梁所受偏心荷載作用效果增強，更易在偏心荷載作用下發(fā)生傾覆。

綜上所述，農村人飲工程應以確保農民群眾飲水安全為目的，以優(yōu)質供水服務為宗旨，按照成本水價進行供水、計量收費，使其符合社會主義市場經濟體制。在農村人飲工程的管理過程中，應從加大宣傳力度，做好工程設計、健全法律法規(guī)，完善水價政策、創(chuàng)新管理方法，發(fā)揮群眾作用、構建管理機制，保證飲水安全等方面入手，確保人飲工程的可持續(xù)性發(fā)展。

2.3 邊中跨比的影響

相關研究表明，多跨獨柱墩橋梁隨著邊中跨比n減小，獨柱墩橋梁端支座處由永久作用產生的受壓儲備降低，箱梁橋的抗傾覆性能也降低[8]。

3 獨柱墩橋梁抗傾覆穩(wěn)定性改造加固技術研究

3.1 改變梁墩連接形式

改變獨柱墩橋梁中的橋墩與上部結構的連接方式，去掉獨柱墩上的支座，直接把獨柱墩與上部結構固結。

改變梁墩的連接形式后，梁墩形成剛結超靜定結構，提高了梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性，提高后能否滿足極端情況下的抗傾覆穩(wěn)定性要求需要根據梁的高度、寬度以及能引起傾覆的截面大小和作用位置開展驗算。這種改造模式，使獨柱墩的受力狀態(tài)由受壓為主改變?yōu)閺潐航Y合的受力狀態(tài)，這需要對獨柱墩在可能傾覆的極限狀態(tài)下的抗彎承載能力進行驗算，驗算通過后方可采用此種抗傾覆穩(wěn)定性改造加固技術。

通過改變梁墩連接形式提高獨柱墩抗傾覆穩(wěn)定性操作較簡單，所需材料較少，工期短，因而具有費用低等顯著特點。通過測算，采用此技術批量開展獨柱墩抗傾覆改造加固技術，平均單墩處理費用約2萬元。

3.2 變單支座為雙支座

獨柱墩如采用單支座布置形式，可改造成雙支座，這樣橋梁的抗傾覆穩(wěn)定力矩增加，抗傾覆穩(wěn)定性增加，如圖1所示。

通過把獨柱墩單支座布置改造成雙支座布置，工程量小，批量改造加固時造價約3萬元。但是，新的支座作用處(圖1中加固改造后支座上方黑色條部分)的梁在原始設計時，不位于支座對應位置，未考慮支座加強，應在改造時予以加強。

3.3 增大獨柱墩橋梁墩臺雙支座橫向間距

獨柱墩橋梁一般在橋臺及部分墩處會采用雙支座布置。通過增大原雙支座之間的橫向距離，可以在一定程度上提高抗傾覆力矩，減少傾覆力矩，從而實現提高獨柱墩橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性的目的。

當單支座獨柱墩橫橋方向尺寸不足，難以改造成雙支座時，或受墩頂部尺寸限制難以增大雙支座間距時，可以通過加寬獨柱墩橫橋方向的尺寸，使其能夠施作雙支座，如圖2所示。

如前述兩種方法均不宜采用時，可考慮在原獨柱墩兩側新建兩個獨立墩柱，形成三墩柱三支座形式，如圖3所示。

增大原雙支座之間的橫向距離，不改變梁墩受力形式，簡單易行，費用較少。但是由于墩頂布置場地限制，增大的支座橫向間距量值有限，因此，提高抗傾覆穩(wěn)定性量值也有限。如果采用圖2所示方法增大獨柱墩寬度以增大雙支座間距，則費用需要增加。同時，梁在與支座接觸處一般都進行了加強設計，增大支座橫向間距后，新的支座所對應的梁底部分原設計中一般是沒有進行加強設計的，這時，需要通過增設墊板、減少梁底板應力(圖2、圖3中支座上方黑色條狀部分)等措施進行加強。

為了避免雙支座在橋梁運營時產生不均勻沉降，通過增大獨柱墩寬度以增大雙支座間距改造后的雙支座均應置于加寬部分處(圖2中斜線填充部分處)，同時，加寬部分的橋墩應與原橋墩置于同一基礎之上。

獨柱墩采用三墩柱三支座改造加固方案后能顯著提高橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性，并能提高橋梁的豎向承載能力。但由于增建了兩個墩柱，如原基礎寬度不夠還需要增建基礎，因此費用較高。同時，還需采用技術措施，確保三根墩柱在正常運營時變形一致、協(xié)同工作。

3.4 增加橋墩數，減少橋梁跨度

如在獨柱墩頂增加支座數量或者增加支座間距難以實現時，可在縱向兩獨柱墩之間增設橋墩。增設橋墩一方面可以減少橋梁跨度，另一方面可以通過合理設計新建橋墩的結構與支座，進一步增強獨柱墩橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性。

增加橋墩數方案需要新建橋墩基礎、橋墩、支座及對支座與梁底接觸處予以加強，所以費用較高，具體費用需要根據具體工作量確定。同時，新建橋墩時，應考慮新舊橋墩基礎修建時間不一致可能引起的不均勻沉降。一般新建橋墩沉降會大一些，應通過適當技術減少新建橋墩可能產生的沉降。新建的橋墩可采用獨柱墩雙支座或雙柱墩等形式，以增加橋梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性。增加橋墩數能從根本上解決獨柱墩橋梁橫向傾覆問題，但是投入資金較多，需要與其他獨柱墩改造加固技術進行技術經濟比較分析。

3.5 增設蓋梁、支座

在獨柱墩頂部加裝組合鋼蓋梁，在蓋梁上設置間距相對較遠的雙支座，也可保留原來的單支座，形成三支座的布置形式(見圖4，粗線網格為增設鋼蓋梁)，進而實現提高獨柱墩橫向抗傾覆穩(wěn)定性的目的。

獨柱墩增設鋼蓋梁、支座抗傾覆改造加固技術目前已有應用。增設的鋼蓋梁可以模塊化設計、制作和安裝，批量生產時可降低生產成本、加快施工進度。

鋼蓋梁施作后，對于支座的處理也較靈活。第1種方案，可以保留原來的支座而在其兩側對稱布置兩個新的支座，如圖4所示。這樣做不需要改變原有的支座，不影響原支座的正常使用，改造加固時不需要對獨柱墩橋梁的交通產生影響，而新增設兩個支座、形成三支座共同工作后可以明顯提高獨柱墩橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性。支座處理的第2種方案是把原來的單支座變?yōu)殡p支座，第3種方案是把原來的雙支座變?yōu)殚g距更大的雙支座。這兩種方案由于需要改變原有支座的位置，都會在改造加固時期對獨柱墩橋梁的交通運營產生一定的影響，但都能對獨柱墩橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性起到提高作用，其他分析與本文3.2節(jié)和3.3節(jié)所述相同，在此不再贅述。

增設的蓋梁采用鋼材，強度高、相對質量輕，一般蓋梁增設引起的獨柱墩豎向荷載的增加都能保證在獨柱墩的承載能力范圍之內。但是，在需要預防的極端偏心荷載可能引起的獨柱墩傾覆時，獨柱墩橋墩受力與改造之前的受力狀態(tài)有較大不同，主要是在鋼蓋梁與獨柱墩接觸的上下接觸點有較大的水平力，如圖5所示。

圖5左側圖表示在極端偏心荷載作用下，增設的鋼蓋梁相當于在支座處受到了一個偏心集中力的作用，這個偏心集中力通過鋼蓋梁傳遞給獨柱墩后使橋墩在與鋼蓋梁的上下接觸點處分別受到一對方向相反的集中力的作用(為了研究方便，主要示意橋墩水平受力并做了一定簡化)。獨柱墩所受到的兩個水平集中力，一方面使橋墩在與鋼蓋梁接觸點處的應力較大，改造加固設計時應對橋墩進行保護；另一方面，兩個水平集中力形成一個力矩，使獨柱墩由原來的受壓為主變?yōu)槭軌号c受彎相結合的狀態(tài)，改造加固設計時應保證獨柱墩本身在新的受力狀態(tài)下的結構安全。

4 結語

橋梁采用獨柱墩形式具有美觀、節(jié)約空間等優(yōu)點，但隨著交通量的增加和車輛載重量的增加，獨柱墩極易發(fā)生橫向傾覆事故。為了確保公眾的生命財產安全、確保橋梁結構安全，應對獨柱墩橋梁進行抗傾覆改造加固，以適應社會經濟的發(fā)展。

獨柱墩橋梁抗傾覆改造加固可采用改變墩梁聯結形式、增加支座數、增加支座間距、增加橋墩和增設鋼蓋梁等技術方案。采用的抗傾覆改造加固技術首先應能提高橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性，然后需要考慮改造加固對原有橋梁體系的影響，并采取相應措施減少相關不利影響。在獨柱墩橋梁抗傾覆改造加固時，應根據具體情況進行技術經濟分析，采用合理的改造加固技術。