独柱墩匝道桥抗倾覆验算与安全提升改造研究

江苏沿江高速公路有限公司，江苏 南京 210016

2019年10月，无锡锡港路上跨桥因半挂牵引车严重超载导致桥梁侧翻，造成3人遇难，社会影响恶劣。为确保同类事故不再发生，江苏省针对独柱墩桥梁开展了专项检查工作，对存在倾覆安全隐患的桥梁进行安全提升改造。文章以某高速公路独柱墩匝道桥为基础，具体分析高速公路独柱墩匝道桥抗倾覆验算与安全提升改造方法，为独柱墩桥梁安全提升改造工程提供技术参考。

1 独柱墩桥梁改造常用方法

独柱墩桥梁提升改造常用的方法有以下5种：（1）现有构造空间足够时，利用原结构增设支座，改单支座为多支座；（2）墩柱有构造空间利用时，可通过加宽墩柱或增设墩柱，改单支座为多支座；（3）墩柱无构造空间利用时，可在墩柱顶部增设混凝土盖梁或钢抱箍，或者新增桩基+墩柱等方式，改单支座为多支座；（4）桥下净空受限时，可改支座支承为墩梁固结；（5）增设抗拉拔装置，此方法可作为预防措施，但不得单独作为具有安全风险的独柱墩桥梁横桥向抗倾覆能力的提升措施。

提升改造后桥梁除了需满足支座脱压及横桥向抗倾覆稳定性系数、梁体转角验算要求，还应根据提升后独柱墩桥梁的结构体系和支承边界条件进行结构验算，满足相关标准规范的要求，并满足以下要求：（1）新增结构与构件的承载力验算应按提升荷载标准及对应设计规范进行；（2）提升后结构体系改变的，应对与提升措施直接连接并传力的原结构与构件（如主梁局部、桥墩和支座）进行强度验算，按提升荷载标准及对应设计规范进行；（3）提升后支承边界条件改变的，应对与提升措施直接连接并传力的原结构与构件（如主梁、桥墩和支座）进行强度验算，按原设计荷载标准及对应设计规范进行；（4）应按原设计荷载标准及对应设计规范对提升后的独柱墩桥梁整体进行承载力验算。

2 工程概况

2.1 桥梁概况

某独柱墩匝道桥平面位于半径R=140m的圆曲线上，桥面净宽为7.5m，总宽为8.5m。该桥上部结构采用19m+7×20m+19m的现浇钢筋混凝土连续箱梁，箱梁采用单箱单室截面，直腹板，梁高1.3m，箱梁顶宽8.5m，底宽3.5m，悬臂长度为2.5m，横坡5%。标准断面如图1所示。

图1 标准断面图（单位：cm）

该桥设计荷载为汽车-超20、挂车-120级。结构支撑体系为0#、9#号台采用双支座，按照箱梁中心线对称布置，支座间距为4.2m；1#～8#墩为方柱式墩，下接直径为1.8m的钻孔灌注桩，桩柱间设置承台，墩顶设置单支座，支座位于箱梁中心线。桥梁平面布置如图2所示。

图2 平面布置图

2.2 抗倾覆验算

桥梁结构抗倾覆验算应满足以下要求：（1）在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态；（2）作用标准组合下，横桥向抗倾覆稳定性系数不小于2.5；（3）在作用基本组合下，梁体转角不得大于0.02rad。

采用《桥梁博士》V4.2建立匝道桥空间分析模型，如图3所示。

图3 匝道桥有限元分析模型

在原设计荷载作用下该桥计算结果如下：（1）作用基本组合下，桥台两侧支座均出现负反力（弧外侧为-747.0kN、弧内侧为-956.9kN），不满足单向受压支座始终保持受压状态的要求；（2）作用标准组合下，横桥向抗倾覆稳定性系数为0.64＜2.5，不满足规范要求；（3）在作用基本组合下，梁体转角均＜0.02rad，满足要求。

3 方案比选

独柱墩改造一般以不改变原结构受力体系为宜，新增支座不承担结构恒载仅承担活载。经试算，可对该桥3#、6#墩进行改造，当新增支座距箱梁中心间距≥2.1m时，在现行规范荷载作用下，桥梁横桥向抗倾覆稳定性系数满足规范要求。独柱墩改造常用方案为增设墩柱或扩宽墩柱、新建基础增设墩柱、增设钢盖梁等，改造方案示意如图4所示。对以上3种方案进行比选，综合考虑桥梁实际状况、现场施工条件、经济性等因素选取合适的改造方式。方案比选情况如表1所示。

图4 匝道桥3种改造方案示意图（单位：cm）

表1 改造方案比选一览表

对该匝道桥3#、6#墩墩柱增设钢盖梁，新增支座间距为4.2m，按照箱梁中心线对称布置，改造后在现行规范荷载作用下桥梁横桥向抗倾覆稳定性系数为2.89，满足规范要求，但0#台、9#台弧内侧支座出现负反力（-52.1kN）。针对桥台弧内侧支座脱空风险，可在该侧增设抗拉拔装置，抗拉拔装置具有以下优点：（1）构造简单、受力明确，施工方便，对原桥结构受力无影响；（2）预防支座脱空，可同时作为抗震防落梁措施；（3）造价低，经济性好。

抗拉拔装置对横桥向抗倾覆稳定性系数的提高无影响，因此不可单独作为有安全风险的独柱墩桥梁横桥向抗倾覆能力的提升改造措施。

4 技术创新

抗拉拔装置由上锚板、下锚板、拉板等组成，拉板与锚板间采用轴销连接，上下锚板与原结构通过锚栓连接。抗拉拔装置造价低、构造简单、施工方便且可有效预防支座脱空，因此在桥梁维修加固工程中有一些应用。以往的工程中抗拉拔装置一般采用钢板作为拉板，但在后期桥梁运营养护中发现锚板四周混凝土有开裂现象，原因可能是刚拉板刚度太大，不能适应结构变形从而导致混凝土局部开裂。

结合以往加固和养护经验，此次独柱墩改造工程将拉板材料优化为钢丝绳制成的成品拉杆，并在上锚板毛孔开长槽，以适应梁体纵向变形，避免对结构形成多余约束，如图5所示。

图5 柔性拉杆结构示意图（单位：mm）

5 结论

（1）当构造空间严重受限且原桥墩立柱强度满足要求时，通过增设钢盖梁并设置滑板橡胶支座，使新增支座分担部分活载而不承担恒载，可在不大幅度改变原结构内力分布的情况下直接有效地改善桥梁的抗倾覆性能，且施工过程不影响桥梁正常运营。（2）抗拉拔装置施工方便，基本不影响原结构受力，经济性好。在横桥向抗倾覆稳定性系数满足设计规范要求，但支座有脱空风险的情况下，增设抗拉拔装置可有效预防单向受压支座脱离正常受压状态，确保箱梁在不利工况下支撑体系不发生变化。（3）抗拉拔装置设置要考虑结构变形影响，宜采用柔性结构拉杆，并合理预留变形间隙，不得对结构形成多余约束。