钢盖梁加固独柱墩桥梁抗倾覆性能研究

张渔

（西安路德工程勘察设计咨询有限公司，陕西 西安 710075）

0 引言

独柱墩桥具有开阔的视野，可有效减少因视觉不畅所导致的交通事故；桥墩线形造型优美，与周围道路线形及景观相协调，具有独特的美感；其工程量小，占地少、造价低、对周围建筑物影响小等特点，使得独柱墩在相当一段时期内具有较大的优势［1-3］。

随着交通运输的日益繁忙，独柱墩支撑的桥梁存在的安全隐患逐渐凸显出来。在连续较大交通荷载偏心作用和独柱墩桥偏心的情况下，桥台支座可能会脱空；随着荷载的继续增大，桥梁支座处的承载体系发生转变，伴随着单边支座的变形增大超过限制，桥梁上部箱梁随之发生倾覆［4］。过去一段时间，我国独柱墩桥梁倾覆事件时有发生，表1 中所列为2000 年以后所发生的独柱墩桥梁倾覆事件，均造成了较大的经济损失［5］。

表1 独柱墩桥梁倾覆事件

截至目前，大多数的独柱墩桥梁上部结构发生倾覆，主要是由连续较大交通荷载偏载造成的。在此之前，国内的桥梁研究重点主要在于纵桥向的受力和变形，较少关注横桥向的变形和稳定性。数起独柱墩桥梁上部结构倾覆事件使得独柱墩桥梁抗倾覆研究逐渐成为热点，桥梁抗倾覆理论也随之被提出。

1 抗倾覆理论

现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）［6］指出：持久状况下桥梁上部结构不应出现体系转变，桥梁支座不应脱空；上部结构应满足抗倾覆稳定性的要求，如式（1）所示。

2 桥梁抗倾覆加固方法

独柱墩桥梁加固可通过加强独柱墩桥的下部结构、增加侧向支撑点的数量，提升独柱墩桥的抗倾覆的整体稳定性。具体加固实施方式有以下3种。一是改造为圆端支撑为墙墩支撑，通过增大截面，形成圆端壁墩，并在墩顶构造两个橡胶支座。二是改造为三柱墩。其特点是在原桥墩的两侧各增加一个柱墩，并通过联系梁构造成为整体，由单点支撑变为三点支撑。三是独柱墩顶加扩。对原独柱墩顶部改造，采用悬臂或托板增加墩体的横向长度，托板顶部构造橡胶支座，该单点轴力为多点受力［7］。前两种方法工程造价高，施工周期长。而第三种方法则具有施工速度快、造价合理等优点，在越来越多的独柱墩改造工程中得到应用。其中独柱墩顶加扩法以墩顶钢盖梁加固法应用较为广泛。

独柱墩顶部增设钢盖梁，并在钢盖梁上新增支座，改变横桥向单点支座支承，为多点支座支承，既增加上部结构的抗倾覆力矩，也可以避免支座脱空情况，进而提高独柱墩梁桥的整体抗倾覆稳定性。

3 钢盖梁加固主要施工步骤

①测量桥墩箱梁底纵、横坡度、各部位高程、平面尺寸等基础数据。

②复测桥墩形状和尺寸，并按照设计文件加工钢盖梁。

③墩顶加固范围凿毛并钻孔植筋，同时观测墩柱、支撑系统受力和变形。

④现场定位安装钢盖梁。

⑤待胶体固结并达到设计强度后，将各螺栓螺母拧紧，最后焊接封闭钢板。

⑥浇筑钢盖梁内混凝土，压浆密实。

⑦待灌注混凝土达到设计强度后，安装支座。

钢盖梁构造图具体如图1所示。

图1 钢盖梁构造图

4 工程分析

本项目以浙江省内金丽温高速公路、龙丽高速公路共计约400 km 高速公路沿线桥梁作为研究对象，分析所有独柱墩桥梁的抗倾覆性能，共涉及桥梁61座，共计桥梁61联，下部主要为边长130 cm的带圆角方柱墩和直径130～200 cm 的圆柱墩。经验算，不满足抗倾覆要求的桥梁有30 联，其中14座不满足第1 特征状态，27 座不满足第2 特征状态，具体如表2 所示。因而，须对不满足抗倾覆要求的独柱墩桥梁进行抗倾覆加固，使之满足规范法的要求。

表2 独柱墩抗倾覆验算

采用有限元分析软件MIDAS 2020，主梁按照单梁模型进行模拟，不考虑箱梁横坡，支座与主梁之间刚性连接，边界条件同实际支座滑动方向。模型如图2 所示。所用的荷载为：自重系数取-1.04，以集中力等代横隔板、中横梁、端横梁并施加到模型上；按照实际情况施加二期恒载，沥青铺装容重24 kN/m3，混凝土护栏12.2 kN/m；按整体升降20 ℃考虑，梯度温度按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）［8］计算；荷载等级为公路—Ⅰ级，并计入冲击系数，考虑多车道折减系数。活载横向布置按左偏和右偏两种工况考虑。荷载组合如表3所示。

图2 桥梁上部结构模型

表3 荷载组合

5 加固效果分析

钢盖梁加固后的独柱墩桥梁上部结构，按照上述方法进行抗倾覆验算，加固前后的桥梁抗倾覆安全系数如图3 所示，加固后的独柱墩桥梁的安全系数大幅度提高，最大提高幅度为加固前的9 倍，说明采用钢盖梁加固工艺具有明显的加固效果。

图3 加固前后的桥梁抗倾覆安全系数

6 结论

独柱墩桥梁安全储备不足，存在整体倾覆风险。对61 联公路桥梁进行抗倾覆验算，约49%不满足抗倾覆验算的要求，并以独柱墩桥梁为主；其中约47%的独柱墩桥梁，抗倾覆验算时不满足第1特征状态，约90%的独柱墩桥梁不满足第2 特征状态。在独柱墩顶部增加钢盖梁，并在钢盖梁顶部增设橡胶支座，改变了原独柱墩桥梁单点承载为多点承载；经过钢盖梁加固的独柱墩桥梁，抗倾覆性能大幅提升，有效提升了桥梁的抗倾覆安全系数。