独柱墩桥梁抗倾覆安全分析及加固设计技术研究

汪芳芳，徐祖恩，严伟飞

(1.浙江交通职业技术学院，杭州 311112；2.浙江省交通规划设计研究院，杭州 310006)

独柱墩桥梁抗倾覆安全分析及加固设计技术研究

汪芳芳1，徐祖恩2，严伟飞2

(1.浙江交通职业技术学院，杭州 311112；2.浙江省交通规划设计研究院，杭州 310006)

近几年，独柱墩桥梁越来越多应用于高速公路匝道桥梁和市政立交桥梁，在车辆超载和偏载的不利工况下，独柱墩桥梁发生倾覆倒塌的事故时有发生。在调研浙江省内大量具体工程的基础上，对独柱墩桥梁的结构受力特点进行分析，并根据受力特点和病害情况提出几种有针对性的加固设计方案，可供同类桥梁设计和加固维修参考。

独柱墩桥梁；倾覆倒塌；加固方案

0 引 言

当前，我国大量已建的高速公路匝道桥、城市立交由于曲线半径小，常规的预制结构桥梁适应性较差，因此类似曲线桥梁较多采用预应力混凝土或普通钢筋混凝土现浇连续箱考虑，为增加下部结构通透性，减少“柱林”的视觉效果，力求桥下视野更开阔和桥型更美观，同时为减少下部桥墩占用土地，在设计过程中，频繁采用独柱墩结构。由于公路在运营过程中车辆超载情况较为普遍以及设计计算对弯梁桥结构特性研究不透，在车辆超载和偏载等不利工况下，使得该种结构形式的桥梁在运营过程中发生支座脱空、主梁滑移等病害情况，甚至引发桥梁倾覆失稳的安全事故。2011年2月21日凌晨，浙江省上虞市境内的春晖立交桥的独柱墩引桥发生坍塌，坍塌总长度 120米，最高落差7米，事故造成桥上4辆货车侧翻，3人轻微伤，见图1。

图1 浙江上虞春晖立交桥事故照片

1 独柱墩桥梁病害及原因分析

独柱墩桥梁病害主要表现为：①支座脱空或剪切破坏；②主梁径向位移引起的伸缩缝破坏；③主梁的外侧滑移和侧倾。纵观国内这些年独柱墩桥梁发生的倾覆倒塌事故，我们不难发现，这些事故桥梁都有如下两个相似之处：事故桥梁的平面线型都比较平直，位于直线段、缓和曲线或大半径的圆曲线上；事故桥梁的中间墩都发生了不同程度的破坏。

根据独柱墩桥梁的结构受力特点和现场事故实地照片及破坏型式分析，发生独柱墩倾覆倒塌的主要原因如下：

(1)对于多跨独柱墩现浇连续箱梁，中支点为单支座的多个独柱墩，箱梁端部为双支座，在车辆超载和偏载的共同作用下，主梁产生很大的横向扭矩，由于独柱墩自身抗扭极弱，随着主梁扭矩的进一步加大，独柱墩墩柱所受的横向弯矩和水平剪力急剧增大，当超过独柱墩墩柱自身承载能力时，产生破坏，导致主梁倾覆。

(2)现行设计中，独柱墩多用于匝道弯梁桥，由于弯梁桥自身“外梁加载、内梁卸载”的特性以及在预应力荷载和温度荷载作用下，使得箱梁扭矩分布极为不均，往往由于伸缩缝处梁端扭矩极大造成内外侧支座反力极为不均，甚至在恒载作用下已出现负反力，在偏心荷载作用下，更加剧了内侧支座脱空等情况的产生。若内侧支座脱空，则导致主梁支承体系发生变化，且中支点为点铰支承，随着偏心荷载的进一步增加，结构变为几何可变体系，结构自身无法达到自平衡状态，从而发生主梁倾覆。

(3)对于墩梁固结的独柱墩桥梁，通过主梁横梁传递，墩柱能承受一部分主梁扭矩，对主梁的横向扭转变形有一定的约束作用，而设计时往往忽视了该部分作用，特别是墩柱较矮的独柱墩，由于刚度较大分配到的扭矩相应增加，在偏心荷载或车辆超载以及温度力的共同作用下，截面配筋往往不能满足结构受力要求，产生裂缝，桥梁的耐久性和安全性降低，在极端不利工况下，墩柱易产生塑性破坏，导致主梁倒塌。

2 独柱墩加固设计方案研究

2.1 加固设计思路

本着安全第一，对结构外观改变小，影响交通时间短、经济合理、施工简便的原则，根据前述独柱墩发生倾覆事故的原因分析，独柱墩加固设计方案主要设计思路为：

(1)针对中支点独柱墩单点铰支座不能提供有效主梁抗倾覆力矩的缺陷，通过加固措施，改善主梁扭矩分布和提高主梁横向稳定性。

(2)针对在超载和偏载工况下箱梁端部曲线内侧支座脱空的病害，通过施加主动或被动措施，如端横梁接长加大支座间距、在支座易脱空侧设置拉杆、上部结构单侧压重、更换或增加抗拉支座等方法，可有效解决支座脱空引起主梁支承体系发生变化的问题。

(3)针对独柱墩弯梁桥在温度力、偏心荷载作用下，易发生“横向爬移”的结构特性，通过在独柱墩墩顶设置限位装置，可有效限制梁体往外扭转及爬移。

2.2 中间独柱墩单点支撑改双(多)点支撑方案

独柱墩单点支承改双(多)点支承加固方案主要是采用墩柱加宽或增设墩柱、盖梁的方式进行加固，由原先的单点铰支座调整为双(多)支座，增设的支座建议采用拉压支座。该种加固方案施工作业面均在桥梁的下部空间，对桥面交通基本无影响；且对原桥墩外观改造较少，美观上基本没有影响。

针对具体的桥墩型式和实地条件，该种加固方案主要有以下几种方式：

(1)独柱墩墩身拼宽，该种加固方式主要适用于矩形墩身、单排桩基础结合承台的下部结构型式，通过在原有墩柱两侧植筋，使得新老砼形成整体，墩顶横向加宽，具备增设支座的条件，如图2(a)所示。

(2)独柱墩双侧或单侧新增桩柱，该种加固方式主要适用于桩柱式墩，如图2(b)所示，为满足桩基间距要求或箱梁底宽较窄，往往该种加固方案箱梁横梁需接长，横梁接长可采用箱梁梁体植筋再浇筑接长段砼，但该种方式需短时封闭交通，否则由于桥面行车引起的振动不利于新浇砼初凝，新老砼结合面易产生裂缝。为避免上述问题，可采用钢横梁接长的方式，如图2(e)所示，该方法施工安装方便迅速，无需封闭交通。

(3)独柱墩墩顶增设盖梁，该种加固方式主要适用于桩柱式墩，且本身独柱墩有足够的刚度，能满足最不利工况下墩身承载力要求，或者上部主梁桥面较窄的情况。通过在墩柱顶对穿钢筋或在盖梁顶设横向预应力，浇筑新增盖梁砼，实现由单支座调整为双(多)支座，如图2(c)和图2(f)所示。

图2 单点支承改双(多)支座加固示意图

2.3 端横梁接长，在原支座外侧增设拉压支座方案

该加固方案通过在桥台处(或者过渡墩处)上部结构箱梁端横梁横桥向引出接长，增设拉压支座。新增设支座通过适当拉大间距设置，从而提高梁端梁体抗扭能力。该加固方案能有效改善活载作用下梁体受力，改善两侧支座受力状态，当梁体扭转或出现较大变位，新增设支座能发挥支撑作用，同时在接长的端横梁外侧设置限位挡块，能有效限制梁体往外扭转及向外侧爬移，从而保证行车的安全，如图3所示。

图3 伸缩缝处横梁接长方案示意图

2.4 上部结构压重处理方案

该种加固方案通过压重的方式消除设计工况下弯梁桥内侧可能出现的较小的负反力，使内侧支座在设计工况下不脱空，但不能解决严重超载下的桥梁稳定问题。压重方式可选用在曲线内侧护栏外包混凝土，端横梁拼宽，也可在箱梁内堆载压重，见图4。采用在曲线内侧护栏外包混凝土或者端横梁拼宽的方式，新旧混凝土粘结可采用环氧砂浆和植筋。该方案施工较简单，并且基本不会影响桥梁外观。采用在箱梁内堆载压重的方式，由于已建桥梁箱内压重需要开孔，且独柱墩曲线梁桥一般跨径不大、梁高不高，不方便施工，所以不建议采用。

图4 上部结构压重处理方案示意图

2.5 联端处上下部结构之间设置拉杆方案

在联端处上下部结构之间设置拉杆主要有两种方式，即常规的被动拉杆(如图5(a)、(b))和主动施加预应力的拉杆(如图5(c))，通过设置拉杆，在活载偏载作用下限制梁体往外扭转、内侧支座脱空。但不能解决梁体侧向滑动的问题，建议结合独柱墩顶设限位装置的加固方案一起使用。

(1)被动拉杆：在梁体及桥台台帽(过渡墩盖梁)上设置钢构件作为承力构件,恒载状况下不承受拉力，仅在活载作用下起到限制梁体往外扭转、内侧支座脱空的作用。该方案构造简单，施工便利，且加固施工过程中基本不影响桥梁的正常营运。但该方案对桥梁在温度力、活载作用下的伸缩变形有一定的约束作用，建议在箱梁处留一定空隙可以自由滑动，以适应桥梁在温度变化引起的或者汽车荷载作用下的纵向变位。

(2)预应力拉杆：在梁体及桥台台帽(过渡墩盖梁)上设置钢构件作为承力构件，梁体承力构件及桥梁桥台台帽(过渡墩盖梁)采用预应力钢拉杆拉紧。钢拉杆可采用40CrNiMoA特殊钢材。加固可根据计算最大负反力设计拉杆预拉力，并保证由于通车后活载及温度等效应引起的拉力增量有较大的富余，同时也避免高应力状态下的钢材疲劳问题。该方案通过主动施加一定的拉紧力，可改善恒载及预应力下梁体的受力状态，使得各个工况下均不会出现负反力，能有效限制梁体往外扭转，从而保证行车的安全。但采用预应力拉杆后要确保梁体的纵向自由滑动。施工时需临时封闭交通在箱梁顶板开槽口以安装拉杆，并保证局部受压及抗剪的安全性。

图5 联端处上下部结构间设置拉杆方案示意图

2.6 设置抗拉支座方案

该方案采用更换拉压支座来承受最不利工况下支座的上拔力。更换拉压支座时需用千斤顶将支座处梁体顶高，脱出原支座，施工较为复杂，同时由于原抗压支座安装时，植入螺栓套筒与墩台帽之间一般仅采用普通砂浆灌浆，而抗拔支座必须采用环氧砂浆灌浆以保证粘结力，因此仅更换拉力支座、不更换支座锚杆并不能有效发挥其抗拔能力。

因此对于在建或未建桥梁，在支座未安装时，可考虑直接更换拉压支座。该加固方案适合于独柱墩单支座改为双(多)支座方案以及端横梁接长方案一起配合使用。

2.7 独柱墩处设置限位装置方案

在独柱墩处设置限位装置方案可与设置拉杆方案结合使用(见图6)，以有效限制梁体往外扭转及爬移。

限位装置在箱梁底部及独柱墩设置钢构件，钢板采用锚固钢筋与箱梁底部可靠连接，在独柱墩上设地脚螺栓与钢板箍固定。限位装置中所有钢材均应采用镀锌材料，以免锈蚀。

图6 独柱墩处限位装置示意图

3 独柱墩加固方案综合比选

以下从施工特点、难易程度以及对现行交通的影响和使用效果等方面对各加固方案进行综合比选，具体如表1所示。

表1 独柱墩加固方案综合比选表

综合上表所述，结合目前我省已实施的独柱墩加固方案，独柱墩单支座改双(多)支座以及端横梁接长增设拉压支座方案加固效果明显，且施工较为简单、对现行交通的影响较小，其他加固方案可结合桥梁实际受力及运营情况作为辅助加固手段配合使用。

4 结 语

随着近十几年我国交通事业的迅猛发展，独柱墩桥梁广泛应用于各类市政和互通区匝道桥梁，由于前期设计对当前汽车超载、交通流量迅猛增长等客观因素预估不足，且对该类桥梁横向倾覆稳定性认识不足，使得该类独柱墩桥梁在超载和偏载等最不利工况下存在横向倾覆失稳的风险，建议现阶段相关职能和管理部门应尽早落实对该类桥梁进行系统的排查和结构验算，及时进行加固，防患于未然。同时应进一步完善和修改现行规范，对类似桥梁的结构计算、构造措施及使用要求提出明确的规定。

针对新建桥梁，应谨慎使用独柱墩，若受外界条件制约，必须使用独柱墩时，应根据每座桥的实际情况，充分重视结构支承体系的布置以及在恒载、预应力和温度力作用下主梁的扭矩分布和在偏心荷载作用下的主梁横向抗倾覆验算，必要时应采取相应措施，确保桥梁结构安全、可靠。

[1]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S]．

[2]JTG D62-2004, 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]．

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[4]邵容光．混凝土弯梁桥[M]．北京：人民交通出版社，1996．

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[7]李盼到，张京，王美．独柱支承梁式桥倾覆稳定性验算方法研究[J]．世界桥梁，2012,40(6):52-56.

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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

浙江交通职业技术学院科技计划项目(2013YK02)

汪芳芳(1978-)，女，安徽东至人，高级工程师，硕士，E-mail：wangff@zjvtit.edu.cn。

U445.72

A ?

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

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