独柱墩桥梁抗倾覆改造加固技术研究

罗定伦

(重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160)

0 引言

基于独柱墩桥梁的以上现状，许多学者对独柱墩的抗倾覆稳定性和改造加固进行了研究。邹志翔等[1]对钢混组合梁桥独柱墩抗倾覆性能进行了研究，研究后认为：独柱墩桥梁抗倾覆稳定性系数随曲率半径的增大呈现先减小后增大的趋势，小半径桥梁稳定性最强，直线桥次之，大半径桥梁稳定性最差；增大支座间距及合理设置支座偏心距，可有效提高桥梁的抗倾覆能力；车速越大，桥梁稳定性越差。游科华[2]通过建立有限元模型，对其进行了抗倾覆稳定验算及加固设计，研究了将中墩单点支承改为多点支承加固方法中加固桥墩个数、新增支座与原支座间距对桥梁抗倾覆稳定性及中墩受力的影响。魏吉明[3]对独柱墩桥梁抗倾覆稳定性进行研究后提出了增设抗扭拉杆装置、增设支座与盖梁、改造桥墩结构、增加支座间距等独柱墩桥梁抗倾覆稳定性改造方案。鲁昌河等[4]在对独柱墩连续箱梁桥抗倾覆验算与加固分析研究时，也提出了类似的独柱墩改造加固方案。陈雪芬[5]结合具体的工程实例对独柱墩桥梁抗倾覆稳定性进行了分析和加固改造设计。王强[6]采用Midas Civil 2015 建立模型，对曲线独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆稳定性进行了研究，研究后认为：严控桥面负载过大是保证桥梁结构安全、提高桥梁横向抗倾覆稳定性的一项重要举措，需采取限制超载的措施，如采取临时护栏等措施使车辆尽量位于箱梁中心线附近，以确保独柱墩桥梁的安全，防止其倾覆。聂载东等[7]对事故车辆施救这一特殊工况下独柱墩匝道桥倾覆稳定性研究，该研究给独柱墩稳定性分析与改造提供了一个容易被忽略的因素。

1 独柱墩桥梁倾覆特征分析

根据对独柱墩桥梁倾覆事故的总结分析，发现独柱墩桥梁倾覆往往具有以下特征。

1.1 梁截面形式特点

在已发生的独柱墩桥梁横向倾覆案例中，桥梁截面形式多为整体式箱梁。采用箱梁建造桥梁具有结构自重轻、材料省、施工简，并且能提供较大抗弯刚度等优点，所以，在连续梁桥中常采用箱梁截面形式。

1.2 支承形式特点

在已发生的独柱墩桥梁横向倾覆案例中桥梁在过渡墩和桥台为采用双支座，而在跨中桥墩处则为单支座。支座多采用单向受压支座、固定支座和活动支座配合工作的形式，这有利于桥梁纵向水平力的传递，但横向抗倾覆稳定性富余较少。

1.3 破坏特点

从已发生的独柱墩桥梁横向倾覆案例中发现，独柱墩倾覆前桥梁明显变形往往突然发生。独柱墩倾覆时桥梁上车载较重，偏心荷载大，与桥梁设计时考虑的荷载有一定差异。但是，独柱墩桥梁倾覆时，常呈现出桥梁梁部整体倾覆，而梁部结构本身破坏较少，表明梁部结构自身的抗压、抗拉承载能力仍在设计控制范围内。

2 独柱墩桥梁抗倾覆稳定性影响因素研究

2.1 支座横向间距影响

桥梁支座横向间距较大时，上部结构的重力可以提供较大的抗倾覆力矩，阻止桥梁在受到较大偏心荷载时出现倾覆。但是，部分独柱墩桥梁采用单支座，其横向抗倾覆稳定性效果较差。部分桥梁独柱墩采用双支座，但限于独柱墩顶部尺寸较小，支座间的横向间距较小，桥梁在汽车荷载偏载作用时能够抗倾覆的弯矩也较小，抗倾覆稳定性相对较差。

2.2 桥梁半径的影响

由于独柱墩具有占地少的优点，所以独柱墩常用在市政桥梁的匝道桥与引桥、高速公路的匝道桥等对空间占用要求比较高的场所。但是，在这些情况下，独柱墩桥梁常采用半径较小的曲线桥，而其上箱梁的弯扭耦合效应增大，致使箱梁受力后内外侧挠度差异变大，外侧挠度明显大于内侧，导致独柱墩桥梁的横向抗倾覆稳定性出现较大幅度的降低，使独柱墩桥梁所受偏心荷载作用效果增强，更易在偏心荷载作用下发生倾覆。

综上所述，农村人饮工程应以确保农民群众饮水安全为目的，以优质供水服务为宗旨，按照成本水价进行供水、计量收费，使其符合社会主义市场经济体制。在农村人饮工程的管理过程中，应从加大宣传力度，做好工程设计、健全法律法规，完善水价政策、创新管理方法，发挥群众作用、构建管理机制，保证饮水安全等方面入手，确保人饮工程的可持续性发展。

2.3 边中跨比的影响

相关研究表明，多跨独柱墩桥梁随着边中跨比n减小，独柱墩桥梁端支座处由永久作用产生的受压储备降低，箱梁桥的抗倾覆性能也降低[8]。

3 独柱墩桥梁抗倾覆稳定性改造加固技术研究

3.1 改变梁墩连接形式

改变独柱墩桥梁中的桥墩与上部结构的连接方式，去掉独柱墩上的支座，直接把独柱墩与上部结构固结。

改变梁墩的连接形式后，梁墩形成刚结超静定结构，提高了梁的横向抗倾覆稳定性，提高后能否满足极端情况下的抗倾覆稳定性要求需要根据梁的高度、宽度以及能引起倾覆的截面大小和作用位置开展验算。这种改造模式，使独柱墩的受力状态由受压为主改变为弯压结合的受力状态，这需要对独柱墩在可能倾覆的极限状态下的抗弯承载能力进行验算，验算通过后方可采用此种抗倾覆稳定性改造加固技术。

通过改变梁墩连接形式提高独柱墩抗倾覆稳定性操作较简单，所需材料较少，工期短，因而具有费用低等显著特点。通过测算，采用此技术批量开展独柱墩抗倾覆改造加固技术，平均单墩处理费用约2万元。

3.2 变单支座为双支座

独柱墩如采用单支座布置形式，可改造成双支座，这样桥梁的抗倾覆稳定力矩增加，抗倾覆稳定性增加，如图1所示。

通过把独柱墩单支座布置改造成双支座布置，工程量小，批量改造加固时造价约3万元。但是，新的支座作用处(图1中加固改造后支座上方黑色条部分)的梁在原始设计时，不位于支座对应位置，未考虑支座加强，应在改造时予以加强。

3.3 增大独柱墩桥梁墩台双支座横向间距

独柱墩桥梁一般在桥台及部分墩处会采用双支座布置。通过增大原双支座之间的横向距离，可以在一定程度上提高抗倾覆力矩，减少倾覆力矩，从而实现提高独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性的目的。

当单支座独柱墩横桥方向尺寸不足，难以改造成双支座时，或受墩顶部尺寸限制难以增大双支座间距时，可以通过加宽独柱墩横桥方向的尺寸，使其能够施作双支座，如图2所示。

如前述两种方法均不宜采用时，可考虑在原独柱墩两侧新建两个独立墩柱，形成三墩柱三支座形式，如图3所示。

增大原双支座之间的横向距离，不改变梁墩受力形式，简单易行，费用较少。但是由于墩顶布置场地限制，增大的支座横向间距量值有限，因此，提高抗倾覆稳定性量值也有限。如果采用图2所示方法增大独柱墩宽度以增大双支座间距，则费用需要增加。同时，梁在与支座接触处一般都进行了加强设计，增大支座横向间距后，新的支座所对应的梁底部分原设计中一般是没有进行加强设计的，这时，需要通过增设垫板、减少梁底板应力(图2、图3中支座上方黑色条状部分)等措施进行加强。

为了避免双支座在桥梁运营时产生不均匀沉降，通过增大独柱墩宽度以增大双支座间距改造后的双支座均应置于加宽部分处(图2中斜线填充部分处)，同时，加宽部分的桥墩应与原桥墩置于同一基础之上。

独柱墩采用三墩柱三支座改造加固方案后能显著提高桥梁的横向抗倾覆稳定性，并能提高桥梁的竖向承载能力。但由于增建了两个墩柱，如原基础宽度不够还需要增建基础，因此费用较高。同时，还需采用技术措施，确保三根墩柱在正常运营时变形一致、协同工作。

3.4 增加桥墩数，减少桥梁跨度

如在独柱墩顶增加支座数量或者增加支座间距难以实现时，可在纵向两独柱墩之间增设桥墩。增设桥墩一方面可以减少桥梁跨度，另一方面可以通过合理设计新建桥墩的结构与支座，进一步增强独柱墩桥梁的横向抗倾覆稳定性。

增加桥墩数方案需要新建桥墩基础、桥墩、支座及对支座与梁底接触处予以加强，所以费用较高，具体费用需要根据具体工作量确定。同时，新建桥墩时，应考虑新旧桥墩基础修建时间不一致可能引起的不均匀沉降。一般新建桥墩沉降会大一些，应通过适当技术减少新建桥墩可能产生的沉降。新建的桥墩可采用独柱墩双支座或双柱墩等形式，以增加桥梁横向抗倾覆稳定性。增加桥墩数能从根本上解决独柱墩桥梁横向倾覆问题，但是投入资金较多，需要与其他独柱墩改造加固技术进行技术经济比较分析。

3.5 增设盖梁、支座

在独柱墩顶部加装组合钢盖梁，在盖梁上设置间距相对较远的双支座，也可保留原来的单支座，形成三支座的布置形式(见图4，粗线网格为增设钢盖梁)，进而实现提高独柱墩横向抗倾覆稳定性的目的。

独柱墩增设钢盖梁、支座抗倾覆改造加固技术目前已有应用。增设的钢盖梁可以模块化设计、制作和安装，批量生产时可降低生产成本、加快施工进度。

钢盖梁施作后，对于支座的处理也较灵活。第1种方案，可以保留原来的支座而在其两侧对称布置两个新的支座，如图4所示。这样做不需要改变原有的支座，不影响原支座的正常使用，改造加固时不需要对独柱墩桥梁的交通产生影响，而新增设两个支座、形成三支座共同工作后可以明显提高独柱墩桥梁的横向抗倾覆稳定性。支座处理的第2种方案是把原来的单支座变为双支座，第3种方案是把原来的双支座变为间距更大的双支座。这两种方案由于需要改变原有支座的位置，都会在改造加固时期对独柱墩桥梁的交通运营产生一定的影响，但都能对独柱墩桥梁的横向抗倾覆稳定性起到提高作用，其他分析与本文3.2节和3.3节所述相同，在此不再赘述。

增设的盖梁采用钢材，强度高、相对质量轻，一般盖梁增设引起的独柱墩竖向荷载的增加都能保证在独柱墩的承载能力范围之内。但是，在需要预防的极端偏心荷载可能引起的独柱墩倾覆时，独柱墩桥墩受力与改造之前的受力状态有较大不同，主要是在钢盖梁与独柱墩接触的上下接触点有较大的水平力，如图5所示。

图5左侧图表示在极端偏心荷载作用下，增设的钢盖梁相当于在支座处受到了一个偏心集中力的作用，这个偏心集中力通过钢盖梁传递给独柱墩后使桥墩在与钢盖梁的上下接触点处分别受到一对方向相反的集中力的作用(为了研究方便，主要示意桥墩水平受力并做了一定简化)。独柱墩所受到的两个水平集中力，一方面使桥墩在与钢盖梁接触点处的应力较大，改造加固设计时应对桥墩进行保护；另一方面，两个水平集中力形成一个力矩，使独柱墩由原来的受压为主变为受压与受弯相结合的状态，改造加固设计时应保证独柱墩本身在新的受力状态下的结构安全。

4 结语

桥梁采用独柱墩形式具有美观、节约空间等优点，但随着交通量的增加和车辆载重量的增加，独柱墩极易发生横向倾覆事故。为了确保公众的生命财产安全、确保桥梁结构安全，应对独柱墩桥梁进行抗倾覆改造加固，以适应社会经济的发展。

独柱墩桥梁抗倾覆改造加固可采用改变墩梁联结形式、增加支座数、增加支座间距、增加桥墩和增设钢盖梁等技术方案。采用的抗倾覆改造加固技术首先应能提高桥梁的抗倾覆稳定性，然后需要考虑改造加固对原有桥梁体系的影响，并采取相应措施减少相关不利影响。在独柱墩桥梁抗倾覆改造加固时，应根据具体情况进行技术经济分析，采用合理的改造加固技术。