扩建高速公路独柱墩桥梁的横向抗倾覆对策

陈 云

(广东省高速公路发展股份有限公司佛开分公司，广东 佛山 528000)

0 引言

独柱墩桥梁因结构轻巧、桥下通透性好、适应桥下道路及构筑物等复杂场地条件能力强、节约造价等优点，在公路匝道桥、跨线桥和城市立交桥梁中有着广泛的应用。但是近年来独柱墩桥梁因施工过程中施工作业不当或运营过程中超载车辆通行而倒塌的事故时有发生。

这些事故的发生往往没有明显的征兆，偶发性和破坏性强，带来了巨大的生命和财产损失，社会影响恶劣，是桥梁结构安全运营的一大隐患。

事故发生后，各地均相继展开了独柱墩桥梁安全排查工作，广东省在粤赣高速公路“6·19”事故后也启动了对高速公路和城市道路独柱墩桥梁抗倾覆安全性评估与结构加固工作。由于目前独柱墩桥梁横向抗倾覆评估的理论体系尚不十分完善，各省市采取的抗倾覆评估方法与准则不一。

佛开高速公路作为粤西地区的交通要道，是广东省内少数几条已经部分扩建至双向八车道的高速公路，本文结合佛开高速公路扩建段独柱墩桥梁的特点，介绍其横向抗倾覆评估的技术准则与改造对策。

1 扩建高速公路独柱墩桥梁特点

高速公路桥梁独柱墩多用于跨线桥和匝道桥，其上部结构一般采用连续箱梁，其中主线跨线桥一般位于直线段，匝道桥一般位于曲线段。

在高速公路改扩建的过程中，匝道桥通常需要拆除改造，其结构特征与一般的匝道桥无异，而主线桥通常采用两侧拼宽的方式，其结构特征与采用的拼宽方式有关。佛开高速公路扩建时主线拼宽采用了分离式路基和整体式路基两种方案：分离式路基段原建桥和扩建桥分离，结构受力相对独立，可按一般的独柱墩桥梁进行处治；整体式路基段原建桥和扩建桥拼接，对于连续箱梁桥，目前采用纵向伸缩缝的方式进行横向拼接。

2 独柱墩桥梁横向抗倾覆性能评估

2.1 独柱墩桥梁横向倾覆的机理[1-3]

典型独柱墩桥梁垮塌事故显示，独柱墩桥梁的横向倾覆依结构构造特点表现为两种形式：一种为上部混凝土或钢箱梁的整体倾覆，如包头市民族东路高架桥和哈尔滨阳明滩大桥；另一种为墩柱倾倒后的结构垮塌，如上虞春晖互通立交匝道桥和粤赣高速公路城南互通C匝道桥。前者主要是由桥面汽车荷载偏载作用下梁体绕某一转动轴转动至某一角度后翻转或滑落至地面，后者则是在桥面汽车荷载偏载作用下梁体绕某一转动轴转动至某一角度后，支座失效或墩柱在梁体翻转产生的较大水平推力作用下断裂，从而导致上部结构垮塌。

独柱墩桥梁横向倾覆的上述机理相对明确，但由于缺乏理论分析数据和试验结果，关于影响梁体倾覆的关键性参数目前还缺乏深入研究。

2.2 独柱墩桥梁横向抗倾覆性能评估方法

独柱墩桥梁横向倾覆属于结构稳定问题，在过去的很长一段时间内，公路桥梁建设者对主梁受力主要集中于梁体的抗弯、抗剪强度和抗裂性等，而对主梁倾覆稳定性鲜有关注，现行公路桥梁设计规范在这方面也暂为空白。

目前，关于独柱墩桥梁横向抗倾覆性能的评估以理论计算分析为主。由于缺乏规范的明确规定，各地公路管理部门在对其管辖范围内独柱墩桥梁进行评估时采取的准则不一[4-6]。

广东省吸收其他省市独柱墩处理的经验，结合广东省高速公路车辆运营的现状，以《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-20××，总校稿)中关于主梁横向倾覆稳定性的规定为基础，制定了独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆安全性评估的准则(以下简称“准则”)[7]，其验算要求如下：

(1)在作用基本荷载组合下，单向受压支座始终保持受压状态；当汽车荷载分项系数为3.4时，单向受压支座宜保持受压状态。

(2)当箱梁桥整联只采用单向受压支座支承时，应满足：

∑Sbk,i/∑Ssk,i≥kqf

式中：kqf—横向抗倾覆安全系数，取kqf=5；

∑Sbk,i—使上部结构稳定的作用标准组合的效应设计值；

∑Ssk,i—使上部结构失稳的作用标准组合的效应设计值。

(3)在作用基本荷载组合下，汽车荷载分项系数为3.4时，独柱中墩支座转角应小于0.02rad。

(4)在作用基本荷载组合下，汽车荷载分项系数为3.4时，固结中墩压弯强度应满足设计规范的要求。

其中，横向抗倾覆安全系数的计算与规范JTG D62-20××(总校稿)规定的方法一致，但安全系数取值5.0为该规范值2.5的2.0倍。

3 独柱墩桥梁横向抗倾覆改造方案

目前，针对独柱墩桥梁横向抗倾覆性能的改造，主要有两种思路[8-9]：一种是通过增设支座或调整原有支座间距来确保设计荷载下支座不脱空、抗倾覆稳定系数满足要求，常见的有增设钢盖梁或混凝土盖梁、增设桩柱、墩柱加大为薄壁墩等方式；另一种则主要从控制极端状态下梁体不倾覆落梁的角度出发，提出了增设钢拉杆和预应力锚索构造。

增设钢盖梁和钢拉杆方案在广东省高速公路独柱墩桥梁横向抗倾覆加固中有着广泛应用，但实际应用中钢盖梁也存在着安装难度较大、造价相对较高、仅适用于等截面圆形墩等问题，而钢拉杆受制作安装精度的影响，其实际作用也可能大打折扣。

图1 独柱墩增设钢盖梁方案

图2 独柱墩增设桩柱方案

4 扩建独柱墩桥梁横向抗倾覆改造对策

与上述独柱墩桥梁不同的是，采用纵向伸缩缝扩建拼接的独柱墩连续箱梁往往面临更复杂的问题。以佛开高速公路龙山跨线桥为例：该桥上跨地方道路，并被G325国道上跨，其左幅第22～24跨和右幅第23～26跨均采用预应力混凝土连续箱梁，桥跨布置分别为(22.5m+2×30m+21.5m)和(25.5m+2×30m+19.7m)。受桥下地方道路的限制，原建桥三个中间墩均采用独柱墩，边墩采用双柱墩，两个支座横向间距6m；扩建桥中墩采用双柱墩，其余两个中间墩采用独柱墩，参见图3。

4.1 横向抗倾覆安全性评估结果

按2.2节所述评估准则，建立空间杆系有限元模型对龙山跨线桥左、右幅桥原建桥和扩建桥分别进行了验算，结果如表1所示。计算的四联桥在基本组合边支座均存在负反力，不满足“准则”要求；单车道汽车荷载分项系数为3.4时，边支座反力更大程度地不满足要求，原建桥中墩支座转角均大于0.02rad，也不满足“准则”要求，扩建桥中墩支座转角均小于0.02rad，满足要求；各联桥最小抗倾覆安全系数26.1，明显大于5.0，满足要求。

表1 龙山跨线桥独柱墩桥联横向抗倾覆验算结果

4.2 横向抗倾覆改造对策

本桥连续箱梁横向抗倾覆安全性验算结果显示，虽然原建桥和扩建桥抗倾覆安全系数均满足要求，但支座反力均不满足要求，原建桥中墩支座转角也不满足要求，结构整体抗倾覆能力不足。原建桥抗倾覆能力较扩建桥低，主要与原建桥三个中间墩均为独柱墩，而扩建桥三个中间墩中有一个采用双柱墩，使得结构整体抗扭性能明显提升有关。

从原建桥和扩建桥既有墩柱布置与地方道路的相对位置关系来看：左、右幅桥原建桥和扩建桥中墩(Z23#、Y24#墩)均位于地方道路以外，即可采用增设盖梁方案，也可根据需要采用增设桩柱方案；其余两个原建桥中间墩均位于地方道路中央分隔带内，两个扩建桥中间墩也紧邻地方道路，无法采用增设桩柱方案，且桥下空间有限，墩顶增设盖梁将压缩桥下净空，影响地方道路车辆通行，不宜采用。

注意到现有结构由于纵向伸缩缝的存在，原建桥和扩建桥箱梁无法整体受力，大大削弱了结构的抗倾覆能力，拟通过增设横梁加强原建和扩建箱梁的整体性，提高其抗倾覆能力。

基于上述分析，提出本桥横向抗倾覆改造对策如下：

(1)对原建桥中墩(Z23#、Y24#墩)两侧横向各增设一根桩柱。增设墩柱直径1.2m，桩基直径1.3m。为了满足结构抗倾覆受力需要，新增墩柱与原有墩柱中心距设为3.9m；新增墩柱顶面设GJZ700×700×125板式橡胶支座；墩顶箱梁增设横梁，横梁增设长度1.1m，纵向厚度1.2m。新增桩基采用C30混凝土，墩柱采用C35混凝土，横梁采用C40补偿收缩纤维混凝土。

(2)对原建桥其余两中间墩(Z22#/24#、Y23#/25#墩)墩顶处箱梁增设横梁，使之与扩建桥箱梁形成可靠连接。增设横梁采用焊接钢结构，通过锚栓锚固于箱梁腹板侧面和翼缘底面。钢材均采用Q355NHC耐候钢，钢结构表面涂装采用环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+氟碳面漆，干膜总厚度280μm。

施工中首先对中墩增设墩桩，再对其余中间墩顶箱梁增设连接钢横梁。

表2给出了以右幅桥为代表的独柱墩桥联改造后横向抗倾覆性能验算结果。经改造，基本组合边支座反力已由负反力-652kN变为正反力112kN，明显改善；单车道汽车荷载分项系数为3.4时，边支座负反力由-2 322kN减小至-591kN，也明显减小；中墩支座最大转角由0.089rad降低至0.003rad，均满足“准则”要求。

图3 龙山跨线桥独柱墩横向抗倾覆改造对策

图4 龙山跨线桥增设桩柱布置

图5 龙山跨线桥原建和扩建箱梁横向连接布置

5 结语

在桥梁工作者逐渐认识并日渐重视桥梁横向稳定性的今天，新建桥梁已尽量避免设置独柱墩。但在过去数十年间建成的独柱墩桥梁仍有大量在服役中，在对这些独柱墩桥梁进行横向抗倾覆改造时，往往受原有桥梁构造、现场条件等的制约，无法采用常规方案。对于采用两侧拼宽的独柱墩桥梁来说，本文提出的在原建桥和扩建桥梁体之间增设钢横梁的方案受力合理、施工简便，效果较好，可供类似工程借鉴。