独柱墩桥梁病害成因及桥梁设计相关问题研究

2021-05-04贾舒阳

内蒙古公路与运输 2021年2期

贾舒阳

（内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司，内蒙古呼和浩特 010000）

1 引言

独柱墩桥梁因可以有效节省桥下通行空间、能够减少对司机视线的遮挡，且外形简洁美观，被广泛运用在跨线桥和匝道桥中[1，2]，但其安全状况不容小觑。

近年来，独柱墩桥梁安全事故时有发生，从2007年至今，全国各地至少发生了6起类似的独柱墩桥梁侧翻事故。2012年8月，哈尔滨阳明滩大桥桥梁因3辆超载车集中靠右行驶导致桥梁倾覆，造成3死5伤。2015年6月，粤赣高速匝道桥因4辆货车超载行驶造成桥梁倾覆垮塌，导致1死4伤。2020年10月10号傍晚，江苏无锡312 国道高架桥发生侧翻事故，造成3 人死亡2 人受伤。独柱墩桥梁的安全问题在业界得到广泛重视[3-5]。

2020 年，交通运输部开展独柱墩桥梁运行安全提升专项行动，也将独柱墩桥梁安全问题推上新的高度。文章结合独柱墩桥梁排查过程中的所见所想，从病害表征出发，探究可能导致病害的原因，进而对独柱墩桥梁设计及分析提出改进建议，对其他混凝土梁式桥的设计有参考意义。

2 独柱墩设计及计算分析现状[6]

从国内四家公路行业甲级设计院对独柱墩桥梁的复核验算报告看，目前国内桥梁设计界对独柱墩桥梁的验算主要方式及问题如下：

②验算分析时未考虑已运营独柱墩桥梁现有病害情况，无法准确模拟桥梁实际受力状态。

③建模时未建立固结墩模型，仅以固定约束代替，未考虑固结墩刚度对墩梁内力分布的影响。

图1 某有固结墩的独柱墩桥梁计算分析模型（未建立固结墩单元）

④梁单元模型无法较为精准地分析梁体扭转问题，在设计过程中往往忽略梁体扭转问题的分析验算。

⑤在设计过程中，部分桥梁仅配置单侧防撞墙，防撞墙自重较大，对梁体稳定性不利。

⑥部分独柱墩桥梁在设计过程中考虑到倾覆问题，进行了防倾覆构造设计，但对运营中独柱墩桥梁进行验算时，通常不考虑防倾覆构造对桥梁抗倾覆的贡献，仅以无防倾覆构造模式进行验算，验算结果失真。

⑦构造设计相对缺失，对桥梁构造设计尤其是独柱墩桥梁的构造设计不够细致，桥梁结构出现局部应力集中导致病害。

⑧独柱墩验算基于抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值大于一定限值来控制，对反力的验算仅关注是否出现支座负反力。而对于结构本身会不会出现破坏、支座产生负反力后关联的病害如何发展并无明确分析。

维修方式是对汽车机件维修内容及其时机的控制形式，其中又以定时维修及视情维修最为多见。定时维修是按规定的时间不查看技术状况而进行拆卸的工作方式。“规定的时间”可以是规定的间隔期、累计工作时间、日历时间、里程和次数等。定时方式以时间为标准，维修时机的掌握比较明确，便于安排生产，但针对性差、维修工作量大、经济性差。视情维修是基于这样一种事实进行的，大量的故障不是瞬时发生的，故障从出现至发生，总有一段时间出现异常现象并有征兆可寻。因此，如果采用性能监控或无损检测等技术就可以找到跟踪故障迹象的办法，然后采取措施预防或避免发生故障，所以这种维修方式也被称为预知维修或预兆维修方式。

3 独柱墩桥梁病害调查实例及病害成因分析[7][8]

案例一：某互通匝道桥属独柱墩曲线桥梁，上部结构为现浇预应力混凝土连续梁，孔跨布置为22.611+2×25+20（m），下部结构为重力式桥台、连续三根独柱墩，基础类型为扩大基础。经验算，该桥最小抗倾覆系数2.14，不满足现行规范标准。

图2 箱梁横断面图（cm）

现场调查发现，该桥虽然抗倾覆稳定系数不满足规范要求，但该桥加大了端横梁尺寸，增大了支座间距，同时在桥台台帽上增设了宽80cm、高100cm 的挡块，为防止独柱墩墩顶因局部承压过大开裂增设了钢套筒。该桥端横梁存在斜向裂缝。该桥总体技术状况良好，未见支座偏压、梁体滑移、扭转病害等倾覆倾向性病害。

对比现场调查情况与验算报告发现：设计单位在对该桥进行抗倾覆验算的计算分析过程中，并未考虑挡块对桥梁抗倾覆的贡献。而该桥端横梁出现的斜向裂缝，是由于端横梁剪力筋设计不合理造成，可能由于抗剪计算分析有误导致。

与该桥设计基本一致的另外三座桥梁，抗剪倾覆系数亦不满足现行规范要求，但未见支座偏压、梁体滑移、扭转病害等倾覆倾向性病害。

案例二：某互通匝道桥属独柱墩曲线桥梁，上部结构为现浇预应力混凝土连续梁，孔跨布置为4×25（m），下部结构为重力式桥台、仅设置一根独柱墩（独柱墩与梁体间设置固定支座）、其余桥墩均为双柱式桥墩。经验算，该桥抗倾覆系数8.2，远高于现行规范标准。

现场调查发现，该桥支座横向限位装置损坏，梁体横向滑移6cm，桥墩盖梁挡块挤压开裂，独柱墩横向倾斜5cm。该桥在出现上述病害的两个月内交通量较往常增大了2倍以上，行驶车辆多以49t货车为主，桥上两车道长时间布满超速行驶的货车。

该桥虽抗倾覆验算系数满足规范要求，但表现出明显的倾覆倾向性病害，存在倾覆趋势。而该病害形成原因与短期汽车荷载激增、车辆在曲线段行走时横向离心力较大有明显相关性。因梁体横向滑移，独柱墩与梁体设置了固定支座，导致独柱墩被梁体拉歪。

4 独柱墩桥梁设计及加固设计建议[9,10]

从上述两个案例可以看出：独柱墩桥梁破坏模态不只是倾覆一种；独柱墩桥梁的抗倾覆性能也不是一个固定不变的状态，它与桥梁本身的设计抗倾覆系数、抗倾覆构造设计是否健全、桥梁是否存在横向滑移及其他进程性病害有关。按照理想状态计算，抗倾覆性能满足要求的桥梁在出现病害或运营状态发生改变的情况下亦存在倾覆的可能性；抗倾覆系数不满足要求的桥梁，在做好相关构造设计的前提下也可能永远不会发生倾覆事件。

结合上述分析，对独柱墩曲线桥梁设计、抗倾覆验算及加固设计提出如下建议：

①验算建模应考虑固结墩的梁体内力分布的影响，对于设定了固定支座、固结墩的独柱墩桥梁，应在建模时建立桥墩模型，综合分析墩梁共同受力状态下的内力分布问题。

②对于验算中出现支座负反力的桥梁，考虑到多数支座仅受压并不受拉，应将出现负反力的支座约束释放，重新进行桥梁结构受力分析及验算。

③曲线桥梁受力较为复杂，除常见的弯剪受力外，受扭是曲线梁必须关注的问题，在本次调查中有部分曲线梁桥梁体通体出现底板、腹板、顶板斜裂缝，该裂缝与梁体抗扭承载力不足有关，而常规的梁单元模型无法准确模拟分析桥梁弯剪扭受力状态，应建立实体模型进行分析，抗倾覆验算荷载不应以设计荷载为准而应以实际调查的代表性荷载为准。对投入运营的桥梁，还应考虑已有桥梁病害对桥梁抗倾覆性能的影响。

④部分桥梁的病害与倾覆问题无关，表现出结构配筋不足、尤其是构造设计考虑不全面的问题，如局部承压配筋不足、截面突变位置未设置承托过渡、抗剪配筋不足等问题，这就要求设计师在设计过程中，不仅要关注结构总体承载力设计验算问题，更加要关注构造设计，从历年桥梁病害情况来看，构造设计不足导致桥梁病害的问题远比结构设计承载力不足的问题更突出。

⑤抗倾覆稳定系数与桥梁稳定性问题并无明显关联性，在养护过程中要重点关注桥上荷载变化情况、挡块挤压破坏问题、梁体横向滑移问题等。这些都是桥梁存在倾覆可能性的表征。此外，对于非独柱墩桥梁，亦存在倾覆问题，桥梁是否会倾覆不应以是否为独柱墩为评判依据。

⑥独柱墩桥梁设计，尽可能不要将固定支座设置在独柱墩上，要考虑高大挡块等抗倾覆构造设计。

⑦对于墩梁固结的独柱墩要进行详细的承载力计算分析，做好独柱墩的配筋设计，做好抗扭设计，根据墩梁固结处弯拉组合受力模式计算分析固结墩在梁体内的锚固钢筋的抗拔性能是否满足要求。同时墩梁固结处应考虑局部应力激增导致的桥墩弯剪破坏问题，必要时增设套筒、局部增大截面等构造设计。

⑧并非所有的抗倾覆稳定性不满足要求的独柱墩桥梁均需增设盖梁或支墩，应结合调查情况，给与增设抗倾覆构造（如挡块等）、曲线外侧增设支撑构造、控制桥上车流量或车辆行驶轨迹等处置方式。对于必须增设盖梁或支墩的桥梁，建议不改变桥梁原约束体系，梁底增设支座的方式会引起梁体内力重分布，可能造成梁体其他病害，建议将盖梁挡块做大做强、支墩加高，使得挡块或支墩扶在梁体翼缘下方，对梁体翼缘做局部补强处理，在梁体出现倾覆倾向时对梁体扭转起到控制作用即可。曲线梁桥的倾覆通常见于向曲线外侧倾覆，故为了控制该倾覆倾向，可在梁体曲线内侧适当增加配重，如曲线外侧设置钢护栏、内侧设置混凝土护栏等。

⑨对于连续设置独柱墩的桥梁，可以考虑将独柱墩偏心设计，即将独柱墩偏离梁体中心线布置，或偏向于曲线外侧，或沿梁体中心线呈梅花形错落布置。