一种独柱墩高架桥的单侧设桩加固装置

陈修和, 董 阁

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司;公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

由于具有减少占用土地、增加视野和桥型美观的优点，独柱墩桥梁被广泛应用于我国城市高架桥中。但独柱墩桥梁的抗倾覆能力较差，在卡车超载情况下，容易诱发倾覆[1-5]，如图1所示。

图1 独柱墩高架桥倾覆破坏示意图

近年来发生的独柱墩桥梁倾覆案例有：

(1)2009年7月15日，津晋高速公路港塘收费站800 m外匝道桥(属于独柱墩桥梁)上有5辆载重型车通过，这时候独柱墩桥梁发生倾覆坍塌。

(2)2011年2月22日，在上虞县道南春线春晖互通立交桥引匝道(属于独柱墩桥梁)4辆超重货车靠边行驶并连着上桥，导致桥面由于偏载加超重发生坍塌事故。

(3)2012年8月24日，哈尔滨市三环路高架桥洪湖路上桥匝道(属于独柱墩桥梁)处有4辆超载重型车辆(其总重为485 t)并行且靠独柱墩桥梁的一边行驶，属严重超载再额外加上严重偏载，导致独柱墩桥梁发生倒塌。

(4)2019年10月10日，无锡市境内312国道上跨锡港路高架桥，由于车辆偏载超载导致该段梁桥所受倾覆力矩大于抗倾覆力矩出现桥面侧翻，桥下3辆小车被压。

可见，随着社会经济发展,交通流量日益增大，特别是偶现超载严重的卡车违规上桥(有的超载高达200%以上)，导致独柱墩高架桥存在较大的安全隐患。有必要对部分重点路段的既有独柱墩高架桥进行提前加固，消除倾覆隐患，防止产生较大的经济损失与人员伤亡。然而，由于独柱墩所处位置的复杂性，某些独柱墩两侧无足够的空间进行加固，只能在一侧进行加固。为此，本文来探讨单侧加固独柱墩的方法。

1 单侧设桩加固方法

本文介绍一种独柱墩高架桥的单侧设桩加固方法，如图2与图3所示，包括新建桩基、新建承台、新建桥墩与钢梁；新建承台下方设置一根或多根新建桩基，新建承台上设置一个或多个新建桥墩；新建桩基、新建承台位于原桩基、原承台的一侧，且尽可能的远离原桩基、原承台；新建桥墩的顶面与桥面的一侧底面相互接触；钢梁与新建桥墩、原桥墩的顶部相连且呈水平状分布；钢梁在与新建桥墩相对称的另一侧端部设置支点，支点的顶面与桥面的另一侧底面相互接触。

图2 加装加固装置后的桥梁主视图

图3 加装加固装置后的桥梁三维结构示意图

新建桩基、新建承台位于原桩基、原承台的一侧，且尽可能地远离原桩基、原承台，一方面对原有基础影响较小，另一方面增大了新建桥墩与原桥墩组合体系的刚度，具有较大的抗倾覆能力。新建桥墩与原桥墩距离越大，对阻止桥梁倾覆越有利，且有利于减小新建桥墩的尺寸。

图4与图5为独柱墩高架桥加装本文所提的防倾覆加固装置后抵抗两侧偏载的示意图。

为了避免桥面底部产生较大的应力集中，可在支点的顶面、新建桥墩的顶面设置面积较大的钢板，钢板上部再设置一定厚度的橡胶片，橡胶片的顶面与桥面底部直接接触。

钢梁与新建桥墩、原桥墩的顶部相连且呈水平状分布。钢梁把新建桥墩与原桥墩相连，增加了整体刚度。

当设置新建桥墩一侧的桥面承受较大偏心荷载且具有倾覆趋势时，新建桥墩与原桥墩共同支撑桥面，且新建桥墩与原桥墩均受到竖直向下的压力，如图4所示。此时钢梁基本不发挥作用。

图4 抵抗右侧偏载示意图

当设置新建桥墩的另一侧桥面承受较大偏心荷载且具有倾覆趋势时，钢梁上的支点与原桥墩共同支撑桥面；支点受到的压力通过钢梁传递给原桥墩与新建桥墩，使原桥墩受到竖直向下的压力，而新建桥墩受到竖直向上的拔力，如图5所示。此时钢梁类似以原桥墩为支点发生旋转(类似杠杆原理)，有效阻止桥梁倾覆。

图5 抵抗左侧偏载示意图

通常，新建桥墩的直径大大小于原桥墩的直径，新建桩基的直径与长度也大大小于原桩基的直径与长度。且新建桥墩与原桥墩距离越大，新建桩基与新建桥墩的尺寸越小。

钢梁的具体构型、与桥墩的连接方式等，按现有公知技术能够实现其所提功能，故其细节未在附图中体现。钢梁可包裹在原桥墩与新建桥墩的外围并相互连接。

一般地，钢梁与原桥墩设置成铰接关系，钢梁与新建桥墩设置成固接关系，这样才能方便地使钢梁以原桥墩为支点发生旋转，类似杠杆原理使新建桥墩受到竖直向上的拔力(如图5所示)。钢梁应满足极端偏心荷载作用下的应力传递而不发生屈曲与失效。

新建桥墩的顶面与桥面的一侧底面相互接触，但互不相连。支点的顶面与桥面的一侧底面相互接触，但互不相连。此处“互不相连”指无固结或铰接连接，两者仅相互接触而已，本质上是相互分离的，不能传递拉力、水平剪力与弯矩，仅能传递压力。故本文所提防倾覆加固装置的施工对原桥面无影响，不需对原桥面进行额外特别处理。新建桩基、新建承台与新建桥墩组成的系统，需能承担桥面不同方位承受较大偏心荷载而产生的竖直向下的下压力或竖直向上的上拔力而不发生失效。即新建桥墩既能承载极端偏心荷载诱发的竖直向下的下压力，也能承担极端偏心荷载诱发的竖直向上的上拔力。

可见，本技术所提防倾覆加固装置虽然仅设置在既有桥墩的一侧，但其能对桥梁两个方向的倾覆均具有阻止效果。其显著特征是，偏心荷载作用在新建桥墩一侧时，新建桥墩受到竖直向下的压力；当偏心荷载作用在与新建桥墩相反的另一侧时，新建桥墩受到竖直向上的上拔力，该上拔力是通过钢梁的荷载传递实现的。

新建桥墩与原桥墩距离越大，对阻止桥梁倾覆越有利，且有利于减小新建桥墩的尺寸。

本文所提的加固装置适用于原桥墩一侧具备场地施工新建桥墩的情况。如原桥墩的一侧是绿化场地或非交通通道，则可施工新建桥墩。如原桥墩两侧无空地、均为交通通道，则无法施工本文所提的加固装置。可见，可根据高架桥的实际情况，选择合适位置实施所提技术，通常也不是每个原桥墩都需进行加固。

2 结束语

本文提出了一种独柱墩高架桥的防倾覆加固装置，包括新建桩基、新建承台、新建桥墩与钢梁；新建承台下方设置新建桩基，新建承台上设置新建桥墩；新建桥墩的顶面与桥面的一侧底面相互接触；钢梁与新建桥墩、原桥墩的顶部相连且呈水平状分布；钢梁在与新建桥墩相对称的另一侧端部设置支点，支点的顶面与桥面的另一侧底面相互接触。当设置新建桥墩一侧的桥面具有倾覆趋势时，新建桥墩与原桥墩共同支撑桥面且均受到竖直向下的压力；当设置新建桥墩的另一侧桥面具有倾覆趋势时，钢梁上的支点与原桥墩共同支撑桥面，原桥墩受到竖直向下的压力，而新建桥墩受到竖直向上的拔力。本文所提的加固装置对桥梁两个方向的倾覆均具有阻止效果。