南京长江二桥独柱墩桥梁抗倾覆分析与加固研究

陈辉

（南京长江第二大桥有限责任公司，南京 210038）

1 引言

独柱墩桥梁结构轻巧、占地量小，在地形、地物受限的区域广泛应用。但由于独柱墩在横向采用单点支承，结构体系抗扭安全储备不高。车辆偏载作用下，横向抗倾覆稳定性较差。近年来，随着超载车辆的不断增多，我国多个地区发生独柱墩桥梁倾覆事故，造成了较大的经济损失[1-3]。

本文结合南京长江二桥柳塘互通F匝道桥独柱墩桥梁抗倾覆加固改造项目，分析了加固改造前后桥梁抗倾覆性能及主要构件（墩柱）受力的变化。

2 工程概况

2.1 桥梁结构

柳塘互通F匝道桥于1997年建成通车，设计汽车荷载等级为汽车-超20级，挂车-120。上部结构为6×20 m钢筋混凝土连续箱梁，位于半径R=162 m的圆曲线上。箱梁顶板宽12 m，底板宽6.2 m，梁高1.4 m。桥台为扶壁式桥台，配置4根直径1.2 m钻孔灌注桩基础。中间墩均为直径1.4 m独柱墩，每墩配置4根直径1.2 m钻孔灌注桩基础。桥台位置为双支座，支座型号为GYZ650×140 mm板式橡胶支座，支座间距5 m。桥墩位置为单支座，支座型号为GYZ850×161 mm板式橡胶支座。桥梁总体布置如图1所示，现场照片如图2所示。

图1 桥梁总体布置图（单位：cm）

图2 桥梁现场照片

2.2 原结构抗倾覆验算结果

建立上部结构连续梁杆系单元有限元模型，支座采用弹性支承模拟，支座编号如图3所示。

图3 桥梁结构有限元模型

汽车荷载按2车道公路I级荷载施加，曲线外侧偏载加载[4]。同时考虑梯度温度及风荷载的不利作用。各项荷载作用下，原结构箱梁支座反力见表1。比较后可以发现，恒载引起的中间独柱墩支座压力较大，边墩支座压力较小。汽车偏载作用在边墩支座处引起的拉力较大，接近恒载引起的压力，易出现脱空现象。梯度温度引起的边墩及次边墩支座反力较大，其效应不可忽略。风荷载引起的支座反力最小，可忽略其影响。

表1 各项荷载作用下原结构箱梁支座反力kN

按现行规范对桥梁抗倾覆性能进行验算[5]。最不利荷载组合作用下，0#台位置曲线内侧支座出现186 kN拉拔力，6#台位置曲线内侧支座出现224 kN拉拔力，特征状态1验算不满足规范要求（规范要求单向受压支座始终保持受压状态）。恒载引起的稳定力矩为9 022 kN·m，最不利活载组合引起的倾覆力矩6 861 kN·m，桥梁抗倾覆稳定系数1.31，特征状态2验算不满足规范要求（规范要求抗倾覆稳定系数不小于2.5）。

3 加固改造设计

3.1 单个独柱墩加固改造方案

为提高桥梁抗倾覆性能，将中间独柱墩单支座支承体系改为多支座支承体系。在中间墩墩顶位置增设钢结构抱柱箍，以支承新设支座，如图4所示。

图4 独柱墩加固改造示意图（单位：mm）

钢结构抱柱箍分块预制，两块半圆抱箍钢板采用M27高强螺栓工地连接成整体。单侧抱箍横向宽1.8 m，高1.55 m。抱箍牛腿梁横断面为箱形截面，单箱两室构造。除与桥墩相连圆弧形钢板厚16 mm外，其余钢板厚12 mm。抱柱箍通过植入化学锚栓与桥墩连接，并在钢抱箍与桥墩间灌注粘钢胶以加强连接。

在原支座两侧1.5 m处设置填充聚氨酯可调高双向活动盆式支座。选用可调高盆式支座的目的在于对支座施加少量预顶力，保证支座和主梁底密贴，在倾覆荷载作用下能够发挥抗倾覆作用。新设支座设为双向活动支座的目的在于保证新设支座仅承受竖向力，在地震、汽车制动力等水平荷载作用下，新支座不参与受力，保证桥梁水平向受力体系不变。整个加固改造体系仅发挥预定的抗倾覆作用。

3.2 桥梁整体加固改造方案

对以下4种加固改造方案加固效果进行比选，确定合理的加固改造方案。

1）方案一：1#墩、2#墩、3#墩、4#墩、5#墩增设钢结构抱柱箍牛腿及新支座。

2）方案二：1#墩、2#墩、4#墩、5#墩增设钢结构抱柱箍牛腿及新支座。

3）方案三：仅2#墩、4#墩增设钢结构抱柱箍牛腿及新支座。

4）方案四：仅1#墩、5#墩增设钢结构抱柱箍牛腿及新支座。

各加固改造方案加固效果如表2所示。可以发现，随着加固墩数的增多，桥梁抗倾覆稳定系数增大。当仅加固2个桥墩时（方案三、方案四），改造后桥梁抗倾覆稳定系数分别为2.53、2.62，满足规范要求（抗倾覆稳定系数2.5），但富余度较小。加固4个以上桥墩时（方案一、方案二），改造后桥梁抗倾覆稳定系数分别为5.37、4.38，富余度较大。对桥墩受力来说，不同加固改造方案对桥墩的轴力影响不大，对桥墩的弯矩有一定影响，但不同弯矩对应的桥墩偏心受压承载能力均满足规范要求。考虑到3#墩两侧存在临边道路，交通繁忙，加固改造施工困难。从加固效果和现场可实施性角度综合比选，采用方案二作为实施方案。

表2 加固改造效果分析表

4 工程实施

4.1 主要施工步骤

主要施工步骤为：施工现场调查→钢结构抱柱箍工厂加工制造→墩顶混凝土基面处理→钢构件提升就位→墩顶钻设植筋孔并植入钢螺杆→钢抱箍高强螺栓对拉连接→灌注粘钢胶→可调高支座安装→钢结构防护涂装。

4.2 施工要点

独柱墩桥梁增设钢结构抱柱箍及受力支座加固改造施工要点如下：

1）施工前应加强现场复核，重点复核结构实际尺寸与图中尺寸是否存在偏差，根据现场实测结果进行钢结构下料加工，避免钢抱箍与桥墩尺寸不匹配而无法进行下一步施工。

2）加强桥墩内部主要受力钢筋的探测，避免钻孔损伤钢筋，根据探测结果适当调整植筋孔位。钢抱箍螺栓孔位应根据现场植螺杆孔位开孔，不得工厂预开孔。

3）植入钢螺杆是主要受力构件，植筋胶应选择锚固性能及耐久性较好的植筋胶。

4.3 加固后效果

独柱墩桥梁加固改造实施完成后，定期进行巡查。检查结果表明，钢抱箍与桥墩表面密贴，无相对滑移痕迹，说明钢抱箍与混凝土桥墩连接良好。打开防尘罩后发现，可调高支座未出现脱空现象，表明新设支座发挥预定支撑功能。进一步检查发现，加固部位梁体及桥墩均无裂缝等次生病害产生。桥梁加固后整体状况良好，加固措施发挥预定的功能。加固有效可行，可为类似桥梁的抗倾覆加固提供参考。

5 结语

本文结合南京第二长江大桥柳塘互通F匝道独柱墩加固改造工程，比较了不同的加固改造方案及其加固改造效果。分析结果表明，加固改造后桥梁抗倾覆性能大幅提高，主要构件（桥墩）受力满足要求。工后检测结果表明，桥梁结构各构件运行良好、无次生病害产生。加固方案实施后桥梁的外观效果良好，加固有效可行，可为类似桥梁的抗倾覆加固提供参考。