高速匝道独柱墩桥梁加固维修应用

叶鑫

（太仓市公路事业发展中心，江苏 苏州 215400）

1 工程背景

独柱墩桥梁在视觉上具有线条流畅、视觉通透、外形美观等优点；在工程上具有下部结构工程量小、节约占地，跨线时对桥下交通影响小等突出优势。由于箱梁结构被广泛应用于国内外市政高架、立交枢纽、公路互通等结构，为满足通行要求，桥下空间受限时，常采用独柱式桥墩。但是，此类桥梁存在的突出问题也逐步显现，如：联端支座脱空导致主梁挠曲变形明显、曲线桥中出现的主梁横向爬移、墩柱或者盖梁开裂、支座的挤压变形、整体侧向倾覆等。其中，桥梁整体侧向倾覆没有明显的预兆，猝然发生，危害极大。在偏心偶然超载作用下，独柱墩桥梁由于本身抗倾覆的能力较弱可能发生整体横向失稳，从而引发桥梁安全事故。桥梁倾覆隐患如果是桥梁支座脱空或桥梁上部结构侧翻、倾覆，都直接影响桥梁的安全和正常使用性能。自2007年以来，国内连续发生多起独柱墩（单支点）桥梁上部结构倾覆事故。特别是2019年，江苏省内发生的独柱墩（单支点）桥梁上部结构倾覆的重大安全事故，造成重大社会影响。所以，针对我市高速公路匝道独柱墩桥梁的加固维修就显得迫在眉睫。

2 桥梁现状

独柱墩桥梁主要分布在高速公路及普通国省干线公路上。在太仓市境内，沿江高速互通为连接S339和沿江高速的互通式立体交叉，根据《2019年苏州市普通国省干线公路长大桥梁定期检测评定报告》可知，沿江高速互通C 匝道桥，如图1所示，技术状况评定结果为二类桥。外观检查结果发现主梁的翼板存在横向裂缝，缝宽为0.08～0.14mm。腹板存在竖向裂缝，缝宽为0.08～0.14mm。底板存在1 处0.005m的破损；支座存在钢盆锈蚀病害，位于5台2支座轻微钢盆锈蚀；桥台台帽存在钢筋锈蚀和7 处钢筋锈胀病害；台背也存在斜向裂缝、竖向裂缝等病害。

图1 S339 沿江高速互通C 匝道桥平面布置图

此次加固桥梁位于S339 沿江高速互通C 匝道上，共计1 座。该桥梁设计于2007年，原设计汽车荷载：公路-I 级。该桥平面位于A=179.764m 的缓和曲线上，跨径组成为5～20m，桥宽8.5m。上部结构采用等截面钢筋混凝土连续箱梁，下部结构桥墩采用柱式墩，基础采用群桩多桩承台基础。根据现场调查及老桥资料，匝道桥联端采用双支座布置，其余连续墩位置均采用独柱单支座布置，如图2所示。独柱墩立柱直径1.3m，承台宽度5.7m，厚度2.0m。桩基直径1.2m。桥下无下穿道路及河流，该桥梁梁体及所有独柱墩均具备改造条件。

图2 独柱墩桥梁侧面照现状

3 加固设计方案选择

根据现场条件、结构合理性、施工难易程度、后期养护、造价等方面的考虑，提出了3 个方案。方案一：增大墩身截面，提高墩柱的承载力，支座能够灵活调整，横向双支座不会脱空，混凝土墩柱后期易养护，但是施工时间长，墩柱自重加大，从而增加了墩顶反力，单墩改造的建安费约为37 万元。方案二：增大设桩基增大墩身截面，优点在于新增桩基、加大桥墩截面尺寸，提高了墩柱和桩基的承载力，安全性好。支座位置可根据计算需求灵活调整，横向双支座布置，落梁后每个支座受力均匀、明确，最不利偏载作用下支座不会脱空，混凝土后期易养护，但是施工时间长，新增桩基受桥下净空限制，施工较为困难，新老桩基桩长、桩径不同，易产生沉降差，后期需要注浆。桥下空间受限，桩基施工较麻烦。单墩改造的建安费约为62 万元。方案三：增设钢盖梁，优点在于桥梁顶升过程中仅需进行支座安装及拆除，中断交通时间较短，可利用新增钢盖梁作为顶升基础，无需搭设顶升临时支撑，桥墩恒载增加较小，对桩顶反力影响较小，施工工艺相对简单，工期较短。但是缺点也同样明显，新增钢盖梁通过锚栓与原有混凝土桥墩连接，锚栓长期外露，锚栓孔易渗水，耐久性较差，且钢盖梁存在腐蚀、锈蚀问题，需定期养护。新增钢盖梁后引起了墩顶横向弯矩，需对墩身强度进行验算校核，必要时需对墩身进行适当加固。钢盖梁与墩柱之间通过锚栓连接，锚栓连接的可靠性不易保障。单墩改造的建安费约为25 万元。

针对S339 沿江高速互通C 匝道桥，经过多方面比对、筛选，最终太仓确认使用方案一进行桥梁墩柱的加固方案。

3.1 独柱墩改为实体墩

S339 沿江高速互通C 匝道桥采用多排桩承台基础，采用增大墩身截面的加固方案，将C 匝道桥所有独柱单支座桥墩通过加大截面，改造为实体墩。新老混凝土通过植筋连接，原墩柱表面需进行凿毛处理。实体墩顶部断面尺寸为380cm×250cm，与承台相连部分断面尺寸为230cm×250cm，为降低新老混凝土不均匀收缩产生的影响，采用C40 微膨胀混凝土浇筑。新浇筑实体墩墩顶高程与原有柱顶高程保持一致。

3.2 支撑体系改造

此次改造对原独柱墩支座进行更换，将原单支座更换为双支座，支座间距布置280cm，采用GPZ(2009)3.5SX、GPZ(2009)3.5DX、GPZ(2009)3.5GD 型 支 座。盆式支座锚固相关的预埋件应在墩身钢筋绑扎时提前预埋，梁底支座锚固钢筋通过植筋进行设置，施工时应现场探明箱梁主筋位置，避免截断主筋。对于桥台支座，此次加固全部更换为原设计同型号支座，施工单位应确保支座高度、套筒孔位与原支座一致。

3.3 梁体表面病害处治

运营桥梁在车辆荷载、地基沉陷等因素影响下，可能出现主梁下挠、开裂、下沉、移位等病害。根据该桥梁定期检查报告获悉，C 匝道桥结构存在的所有可见裂缝，如图3所示，均应进行封闭处理，由于梁体裂缝宽度均小于0.15mm，采用透明树脂封闭胶封缝处置；对主线桥C 匝道桥的箱梁表面出现麻面、露筋等现象，对于桥梁日常养护来说，需要进行定期处治，将表面麻面进行凿除，再利用混凝土进行修复。对于箱梁露筋病害，应该先进行人工除锈，再利用除锈漆涂抹，最后再利用环氧砂浆进行修复，如图4所示。确保梁体表面病害应处尽量处治，提高桥梁的使用寿命年限。

图3 桥梁翼板横向裂缝

图4 梁体表面病害处治现场

4 工程实施效果

根据以上加固方案，需要对该方案分别进行抗倾覆验算、横梁验算、桥墩验算、桩基验算。其中，抗倾覆验算需要进行支座脱空及抗倾覆安全系数验算，如图5所示；横梁验算需要根据横梁受力及配筋，进行不同支座间距的横梁强度验算；桥墩验算需要进行墩顶横向拉杆验算，桥墩强度验算；桩基要进行桩基承载力验算。

图5 抗倾覆验算模型示意图

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第4.1.8 条对桥梁抗倾覆能力进行验算，在增大墩身截面后，主线桥C 匝道桥在作用基本组合下单向受压支座保持受压状态；按作用标准值进行组合时，支座抗倾覆验算系数显著提高至12.7 以上，大于规范要求的2.5，满足规范要求。增设支座后改变了横梁受力模式，根据计算结果可知，横梁的承载能力可以满足现行规范要求，安全系数1.61。频遇效应组合下横梁最大裂缝宽度0.147mm，小于规范允许的0.2mm。同时，桥墩验算和桩基承载力验算均符合规范要求。现场加固后的效果图如图6所示。

图6 现场加固后效果

5 结语

首先，增大墩身截面的方案具有诸多优点，如：增大桥墩截面尺寸，提高墩柱的承载力，安全性好。但是也存在施工工期较长，需要临时封闭交通，单墩改造造价高等不利影响，后期需要结合造价做出最优选择。由于S339 沿江高速互通C 匝道桥存在桥下车辆、行人通行较少等利于封闭交通的情形，能够克服施工工期较长等不利因素，现场增大墩身截面的方案可行性强，为后期太仓辖区内独柱墩桥梁的加固带来较重要的借鉴意义。

其次，对公路养护工程运营管理方面提出了更高要求。桥梁工程师不仅要做好桥梁的日常巡查、经常性检查、定期检查、特殊检查，还要从日常检查方式、检查重点、桥梁病害研判等多方面学习独柱墩桥梁管护经验。同时，不仅需要定期对桥梁的梁体病害如箱梁表面麻面、露筋等进行处治，还要对桥梁混凝土防撞墙、伸缩缝、锥坡等易损坏部位进行定期维修保养。

桥梁运营管理是一项系统工程，对整个系统每个部位都要管控到位，独柱墩桥梁倾覆的重大安全事故既给每个“公路人”敲响了警钟，更对现代桥梁工程师的管养工作提出更高的要求，只有不断地总结教训、积累桥梁管养经验，才能做好公路养护桥梁运营管理工作。