独柱墩桥梁抗倾覆评估及加固设计探讨

袁敏

（江西赣北公路勘察设计院，江西九江 332000）

0 引言

独柱墩桥梁结构简单、桥下净空大、外形具有一定美观性，在桥梁及立交匝道桥等建筑中应用较为广泛，但该桥梁结构主要采用单支点支撑形式，在行车偏载的影响下其横向抗倾覆能力无法有效保证；在偶然偏心荷载影响下，结构会突发整体横向失稳。在设计及施工过程中因受到资金、技术条件、工期等的限制，桥梁结构横向抗倾覆能力也往往被忽视，十分不利于结构安全。同时，现行公路桥梁规范中有关桥梁结构横向倾覆稳定性的规定较为模糊，且如何加强独柱墩桥梁支座脱空、横向倾覆、侧向位移等病害预防也无完善的研究成果。本文以某墩梁固结独柱墩桥梁为例，在对其结构进行抗倾覆能力评估的基础上，进行了结构安全性评价及加固设计探讨，以期为独柱墩桥梁设计、施工提供借鉴参考。

1 工程概况

某现浇预应力混凝土桥梁连续刚构箱梁上部结构按照6×30m+7×30m+6×30m设计，单箱双室截面梁高1.6m，箱梁顶底板宽分别为13.5m和8.0m。下部为独柱墩过渡墩结构，1#、2#、17#、18#墩顶均设置支座，其余墩则为墩梁固结结构，考虑到桥墩高度及墩柱直径，桥下净空较大。墩底设置4根直径1.2m的钻孔灌注桩基础。该桥梁建成后在长期运行过程中，先后出现匝道桥裂缝、结构变形及倒塌等病害，必须进行桥梁抗倾覆安全评估及加固设计，保证交通安全。

2 原结构验算

2.1 验算荷载选取

通过对该独柱墩桥梁匝道桥病害事故的全面分析发现，在车辆通行过程中，桥梁常规设计荷载和极端不利荷载之间差异较大，桥梁倒塌时超重车辆最大重量达到146.81t，但常规验算过程中，最大荷载中挂-120最大重量仅为120t；一座桥上只允许运行1辆挂车，但该匝道桥倒塌时同时运行的货车有4辆，且其中3辆为超重状态。在这种情况下，在进行独柱墩桥梁抗倾覆评估及加固设计时，不能按照常规荷载进行验算。本研究主要采用设计荷载标准，依据桥梁原来设计荷载等级，并选择2辆汽-超20车队，按照最不利工况进行满布偏载布置，并针对该独柱墩桥梁匝道桥进行复合验算；在此基础上，结合该独柱墩桥梁匝道桥实际倾覆坍塌病害实际情况，选择4辆荷载值均为165t的汽车编队并采用特殊验算荷载，进行独柱墩主梁最不利偏载布置下抗倾覆安全性评估，以提升验算结果的科学性与准确性。

2.2 验算模型及结果

在进行该独柱墩桥梁结构验算时必须明确验算对象，构建验算模型。该桥梁结构验算选择中间7跨1联7#～12#墩为验算对象，并根据标准荷载进行复核性验算。基于此，选取特殊荷载进行原结构倾覆安全性验算，并进行桥梁结构倾覆安全性评估。在抗倾覆验算过程中，为充分考虑墩梁固结结构形式，必须根据承载能力极限状态法进行墩柱选择[1]。

由于偏心荷载作用的不同，造成汽-超20级偏心荷载作用及特殊验算荷载作用两种工况独柱墩桥梁抗倾覆计算结果也不尽相同。为进行结构构件现场尺寸及竣工资料的复核，应用MidasCivil软件构建计算模型[2]，分别进行不同验算荷载下原结构抗倾覆稳定性分析。在汽-超20级偏心荷载下独柱墩偏心承载力计算结果详见表1，根据计算结果可以看出，该独柱墩桥梁匝道桥在设计标准荷载影响下，其承受压力极限状态偏心受压构件结构承载力符合设计要求，倾覆可能性较小。

表1 汽-超20级偏心荷载下独柱墩偏心承载力结果

特殊验算荷载作用独柱墩偏心承载力计算结果详见表2，由验算结果可知，在特殊验算偏心荷载的作用下，该墩柱的桥梁匝道桥墩柱受力并不满足极限承载力设计要求，墩柱及主梁必将发生弯压、变形及倾覆破坏，必须进行预防性抗倾覆加固处治。

表2 特殊验算荷载作用独柱墩偏心承载力结果

3 加固设计

针对该独柱墩桥梁所存在的倾覆隐患，为增强结构的安全性，可将独柱结构调整为三柱结构，并将支撑柱增设于箱梁两腹板周围，起到分担活载、增强主梁结构稳定性的作用。此类加固方式能充分利用竖向支撑的约束作用，使全桥设计扭矩及上部结构自身扭矩破坏风险明显降低；立柱横向弯矩值以及独柱墩桥梁偏心受压破坏可能性均降低，独柱墩抵御超载的作用大大提升；在桥梁上部结构扭矩值降低的过程中，原结构双支座处出现负反力[3]，这说明支座脱空的可能性进一步降低。结合该桥梁结构梁端支座负反力较大及横向抗倾覆系数较小等问题，提出以下几种加固方案：

方案一：增设钢管混凝土立柱。为降低原结构桥墩立柱承受的偏心受压作用，保证结构横向稳定，应将钢管混凝土立柱分别增设在7～10#桥墩原横向立柱两侧。由于桥墩承台尺寸较大，可直接将立柱结构设置在原承台结构上，通过植筋的方式连接立柱柱脚和原承台结构。钢管混凝土立柱应采用壁厚13mm、直径710mm的螺旋钢管，并在钢管内部增设植筋，确保立柱与原承台结构能够有效连接，并在立柱顶部设置盆式橡胶支座。考虑该独柱墩桥梁立柱结构高度较高，增设H形横向联系钢梁可增强桥梁下部结构整体稳定性，为便于连接，还应将钢箍加设在原混凝土立柱和钢管混凝土立柱外侧。

方案二：增设预应力盖梁。为与原独柱墩立柱直径相匹配，应在立柱顶部增设130cm高、160cm厚的盖梁，并采用直径32mm的高强精轧螺纹粗钢筋和后张预应力筋施工方式，确保新设盖梁和原立柱结构紧密贴合。

方案三：增设抗拔约束装置。倾覆轴不能改变时其抗倾覆系数也无法提高，支座反力必然过大，无法达到加固要求。当支座负反力在500kN以下时，可利用增设抗拔约束装置的辅助加固方式。

方案四：加宽端横梁，并将边支座拉开至箱梁宽度后，原结构横向抗倾覆系数取值为1.8，不符合设计加固要求，且支座反力较大，故该加固措施缺乏可行性。

从施工难易程度、交通及景观影响、适用性、造价及经济性等方面进行以上方案的综合比选，具体见表3。根据综合比较结果，该独柱墩桥梁匝道桥抗倾覆加固设计主要采用增设盖梁+联端增设抗拔约束装置的加固措施，将盖梁增设在独柱墩墩顶，使独柱墩单支承体系变为多支承，抗扭转形变能力提升，达到抗倾覆加固目的；盖梁由工厂化预制，现场拼装，并通过高强锚固螺栓固定，在立柱和盖梁结合面压注环氧树脂胶，保证整体连接。此外，还应在梁端增设抗拔拉杆，防止边支座脱空后影响结构整体稳定性。

表3 独柱墩桥梁抗倾覆加固方案比较

4 结语

综上所述，独柱墩桥梁倾覆侧翻事故较为常见，超载超限情况下独柱墩桥梁结构的稳定性问题日益突出，独柱墩桥梁发生倾覆破坏后主要表现出支架脱空和梁体转动两大特征，必须针对支座反力和梁体转角进行抗倾覆评估。独柱墩桥梁匝道桥应用本文所提供方案进行抗倾覆加固治理后结构稳定性显著提升，同时也说明，在独柱墩桥梁结构中增设盖梁及联端抗拔约束装置是解决结构抗倾覆问题的有效措施。