八一大桥独柱墩抗倾覆加固方案分析

温忠辉

（南昌市城市规划设计研究总院，江西 南昌 330038）

1 项目背景及概况

由于近几年中国交通运输发展迅猛，出现了许多超重车辆，发生了多起桥梁倾覆事故，其中独柱墩桥梁的倾覆问题广受关注。江苏无锡市318国道于2019年发生桥梁倾覆倒塌，事故导致了多人伤亡，同时产生了恶劣的社会影响。为了确保桥梁的安全运行，南昌市对八一大桥南北立交工程中独柱墩桥梁进行初步的倾覆风险评估，对存在倾覆风险的独柱墩进行了抗倾覆方案设计。在此背景下，对中心城区现状桥梁进行维修加固，从而提高城市交通服务水平。

随着桥梁倾覆倒塌的事件不断发生，对独柱墩的倾覆越来越重视。2018年实施了相关规范[1-2]，对桥梁的抗倾覆能力做了明确要求，同时相关的学者对桥梁的倾覆机理[3]进行深入研究。

八一大桥由南北立交引桥和主桥两部分组成，主桥为双塔双索面斜拉桥，总长1 040 m。南北立交引桥为混凝土箱形连续梁，受立交线形控制，有多处异形板块。箱梁高1.15 m，翼缘悬臂长机动车道为2.0 m，非机动车道桥为1.85 m，桥面净宽15 m者为单箱三室，桥面净宽11 m者为单箱双室，桥面净宽7 m者为单箱单室。桥梁跨径一般为20 m，根据实际情况部分跨径有所调整，最大跨径为21.5 m，最小跨径为18 m。

图2 八一大桥南立交平面示意图

具体桥梁分布位置见图1至图3。八一大桥桥梁加固具体统计信息，见表1。

图1 八一大桥立面图（单位：m）

图3 八一大桥北立交平面示意图

表1 八一大桥南北立交加固墩数量表

考虑到该工程桥梁的匝道数量较多，为了突出重点，本文选取了C线桥第三段（见图4）为主要的研究对象。该联桥梁情况如下:匝道桥梁轴线为圆曲线，半径为50 m；共有6跨，跨径为19.5 m+3×21 m+19 m+20.5 m；桥宽11.88 m；桥墩墩号为C17#～C23#（见图5 ），C17#和C23#墩有下牛腿，上下两层各有两个支座，支座间距为6.28 m；该联两端设伸缩缝，是单独联。

图4 C匝道第三段立面图

图5 C18#和C19#墩现场照片

2 加固设计原则

由于八一大桥位于南昌城市中心，且大桥已进行了限载管理，超限重车上桥几率较小，因此独柱墩桥梁抗倾覆验算及加固方案设计不考虑超载效应，仅考虑在现有城市-A级荷载下，桥梁能够满足现行规范[1]的倾覆要求。具体条款如下：

（1）在基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态。

（2）当桥梁只使用单向受压支座时，符合下式要求：

式中：kqf为倾覆安全系数，取2.5；∑Sbk，i为标准组合下使结构稳定的作用效应设计值；∑Ssk，i为标准组合下使结构失稳的作用效应设计值。

图6为倾覆失稳时有效支座示意图。

图6 倾覆失稳时有效支座示意图

（3）在加固桥梁时不能损害原有结构，保持原结构的强度不变。

（4）加固过程中应考虑结构可能出现失稳等不利情况，必要时采取相应加固措施。

（5）加固设计应根据原有设计资料和相关检测报告，同时现场确认。

3 技术标准

（1）原设计桥梁荷载等级

桥涵设计荷载：机动车道采用汽车-超20级，挂车-120；非机动车道采用满布人群荷载，汽车-10级。

（2）抗倾覆加固后设计标准

本次维修加固仅按规范中有关抗倾覆规定进行加固设计，其余技术标准维持原设计。

4 加固设计方案

根据结构受力特点及该项目实际情况，经分析可采用三种加固方案。

4.1 三种加固设计方案

4.1.1 方案一：墩顶新增盖梁

通过增设盖梁，增加了支座的数量和支承间距，提高了结构的抗倾覆能力。由于该加固方案改变了箱梁底部的受力方式，因此需要对箱梁底部进行优化设计，同时考虑桥下施工空间以及施工流程等因素的影响。具体方案如图7所示。

图7 方案一加固示意图

4.1.2 方案二：增设墩柱

在原有独柱桥墩两侧增加桩柱，使结构改为多支承。新增支座间距可以采用较大间距，可大大加强结构抗倾覆能力。增设墩柱不改变原有桥墩的受力模式，无需损伤原有墩柱，施工期间的风险较小。但新增墩柱占用较大的桥下空间，受桥梁现有建设条件影响较大。同时，对于桥宽较小的桥梁，由于下部桩基间距较大，可能需要对原有上部结构横梁进行加宽处理。施工过程主要涉及桩柱施工、增设支座以及横梁加宽（桥宽小时）等流程。具体方案如图8所示。

图8 方案二加固示意图（单位:cm）

4.1.3 方案三：增设桩基、外包墩柱以及加盖梁

原有桩基新建承台，并新增两根桩基，浇筑完成后加固桥墩，并在桥墩顶部新增盖梁。本方案对桥下空间的要求比方案二小，施工复杂度较大，结合了方案一和方案二的优点。具体方案如图9所示。

图9 方案三加固示意图（单位：cm）

4.2 加固方案综合比较

对上述三个方案进行综合比较（见表2）。

表2 八一大桥南北立交加固方案综合比较表

方案一加设盖梁后，桥墩的受力方式发生变化，承受盖梁支座力产生的弯矩，原有老桥图纸中桩基钢筋不满足受力要求；方案二由于占用桥下空间较大，在老城区施工没有足够空间；方案三通过增设承台和桩基，提高了抵抗弯矩的能力，同时对桥下空间占用不大。

因此，经过对三种加固方案的施工难度、对景观影响、对交通的影响、施工空间、施工工期以及施工造价等多方面比较，推荐采用方案三。

4.3 加固方案设计计算

本文选取八一大桥南桥头的C线桥第三段进行验算。该桥曲线半径为50 m，共有6跨，跨径为19.5 m+3×21 m+19 m+20.5 m，桥宽11.88 m。

4.3.1 材料计算参数

（1）混凝土

箱梁混凝土标号C40。

（2）钢筋

普通钢筋：按各联箱梁相关图纸，并对应设计规范，进行取值。

4.3.2 计算荷载（1）恒载

恒载：箱梁自重；10 cm铺装层重量，防撞护栏重量按相关图纸取值。

（2）活载

车道荷载：验算车辆荷载为城市-A级。

4.3.3 原桥抗倾覆计算

（1）计算模型

建立有限元模型，考虑桥梁施工阶段，分析各种因素对支座反力的影响。该桥的主梁截面如图10所示。

图10 C线桥第三段横断面示意图（单位:cm）

该桥有限元模型共计60个节点，50个梁单元，桥梁有限元模型见图11。

图11 C线桥第三段有限元模型

该桥的支座采用一般支承模拟，从左到右的桩号为C23～C17。

（2）计算结果

根据图纸以及现场初步调查情况，八一大桥南桥头C线桥第三段独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆验算结果见表3。

由表3计算可知，现有八一大桥C线桥第三段不满足现行新规范抗倾覆要求，建议针对八一大桥南北桥头工程进行加固。

表3 八一大桥南北立交抗倾覆验算表格

5 加固后抗倾覆分析

结合现场建设条件，对C20#～C22#墩进行独柱墩加固，加固方案采用增设桩基、外包墩柱以及加盖梁。

5.1 加固计算模型

根据现场的调查情况，C线桥第三段的C18#和C19#墩跨越中间匝道，施工时空间不够，因此该桥加固的桥墩是C20#～C22#墩，在C20#～C22#墩增设支座，支座间距为2.74 m。具体加固方案如图12所示。

图12 C线桥第三段加固方案

5.2 计算结果

考虑加固方案后，对加固后的结构进行建模计算，计算结果见表4。

由表4计算结果可知，八一大桥C线桥按照方案三增设桩基、外包墩柱以及加盖梁加固后，抗倾覆能够满足规范要求。

表4 八一大桥南北立交加固后抗倾覆验算表格

6 结语

本文以八一大桥南北立交独柱墩加固工程为研究背景，对八一大桥南北立交进行了抗倾覆加固的研究，提出了相应的加固方案，并对桥梁进行了抗倾覆加固计算，得出了以下结论。

（1）针对本文背景工程的具体情况，提出了三种抗倾覆方案，分别是墩柱加盖梁、增设墩柱以及增设桩基、外包墩柱加盖梁。结合桥梁的实际情况，考虑桥梁的受力、桥下空间、施工、景观、交通影响以及造价等因素，最终推荐方案三的加固方案。

（2）本文通过对C线桥第三段的抗倾覆计算可知，桥梁的抗倾覆能力不满足要求，需要对桥梁抗倾覆加固，使其满足规范要求。

（3）考虑施工空间和方案的可行性，本文对C线桥第三段采用方案三加固，加固墩为C20#～C22#，增设支座间距为2.74 m，抗倾覆计算结果表明满足规范要求。

（4）由于本文依托工程的局限，最终选取了加固方案三。方案一和方案二均有其优点，在适宜的工程环境下可以考虑采用上述两种方案。