獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆加固研究

楊建兵 馮守金 楊黎

摘要 文章以青蘭高速公路陜西段獨(dú)柱墩橋梁為工程背景，對(duì)獨(dú)柱墩橋梁傾覆的原因進(jìn)行了系統(tǒng)地分析，提出了獨(dú)柱墩橋梁加固的原理和相關(guān)加固設(shè)計(jì)思路，進(jìn)一步系統(tǒng)地提出了獨(dú)柱墩橋梁加固設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則。對(duì)獨(dú)柱墩橋梁加固方案進(jìn)行詳細(xì)介紹，對(duì)加固方案進(jìn)行比選，結(jié)合橋梁所處位置、車流量大小及橋梁結(jié)構(gòu)形式選用科學(xué)合理的加固方案。

關(guān)鍵詞 獨(dú)柱墩;橋梁;抗傾覆;加固

中圖分類號(hào) U445.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）07-0139-03

0 引言

近年來(lái)，項(xiàng)目沿線區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，路段交通流量及行車密度不斷加大，重載車較多，尤其是大件運(yùn)輸、拖掛運(yùn)輸、集裝箱運(yùn)輸、大噸位的超載煤車等重型車輛日益劇增，給沿線交通安全帶來(lái)新的挑戰(zhàn)[1]。鑒于近年來(lái)外省多次發(fā)生因重車偏載導(dǎo)致的獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故，給人民群眾生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)重大損失，引發(fā)不良社會(huì)影響。為及時(shí)消除獨(dú)柱墩橋梁安全隱患，確保獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)行安全，陜西省交通控股集團(tuán)有限公司根據(jù)陜西省交通運(yùn)輸廳《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)獨(dú)柱墩橋梁養(yǎng)護(hù)管理和安全運(yùn)行工作的通知》（陜交函〔2020〕86號(hào)）以及交通運(yùn)輸部《公路危舊橋梁排查和改造技術(shù)要求》（交辦公路函〔2021〕321號(hào)）指導(dǎo)意見(jiàn)要求，開(kāi)展對(duì)獨(dú)柱墩橋梁傾覆安全隱患排查及加固改造行動(dòng)。

1 工程概況

青蘭高速公路陜西段全長(zhǎng)192 km，為全立交、全封閉四車道高速公路，設(shè)計(jì)時(shí)速分別為80 km和100 km，路基寬度為24.5 m和26 m。主線橋梁282座，隧道32座，設(shè)互通式立交10處，設(shè)廂寺川、壺口、張村驛服務(wù)區(qū)3個(gè)。在宜川縣壺口鄉(xiāng)縣川口南側(cè)由山西省跨越黃河進(jìn)入陜西境內(nèi)，經(jīng)過(guò)延安市的宜川、黃龍、洛川、富縣等4縣13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，最后止于陜甘界交界的雷家角，于2010年11月建成通車。

鑒于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3362—2018） （以下簡(jiǎn)稱“18 規(guī)范”）在橋梁抗傾覆驗(yàn)算的計(jì)算方法上有較大調(diào)整，陜西省交通控股集團(tuán)有限公司根據(jù)《公路危舊橋梁排查和改造技術(shù)要求》（交辦公路函〔2021〕321 號(hào)）指導(dǎo)意見(jiàn)，委托原橋設(shè)計(jì)單位對(duì)所轄片區(qū)的獨(dú)柱墩橋梁按新規(guī)范進(jìn)行了橋梁橫向抗傾覆安全性驗(yàn)算，形成《獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆安全性評(píng)估報(bào)告》。根據(jù)評(píng)估報(bào)告，宜富分公司所轄路段共計(jì)33 聯(lián)獨(dú)柱墩橋梁，其中匝道橋27聯(lián)，跨線橋6聯(lián)，根據(jù)橋梁跨徑、上部結(jié)構(gòu)類型、梁高及支承形式等對(duì)以上橋梁進(jìn)行歸類驗(yàn)算，對(duì)全部橋梁歸類為28種類型進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，共有22類合計(jì)24聯(lián)橋梁抗傾覆安全系數(shù)不滿足規(guī)范抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)kqf≥2.5的要求。

2 加固設(shè)計(jì)原理及思路

2.1 加固設(shè)計(jì)原理

根據(jù)18規(guī)范應(yīng)用指南4.4節(jié)，箱梁橋的傾覆防控措施主要的原理有以下三種：

2.1.1 改變結(jié)構(gòu)破壞模式

此種方式是在不改變支撐數(shù)量的前提下，將支座單向受壓支撐方式改為墩梁固結(jié)方式，改變結(jié)構(gòu)受力體系，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制因素變?yōu)槎罩Y(jié)合部承載能力，只要墩柱極限承載能力滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)就是穩(wěn)定安全的。此種方式適用于高墩及新建橋梁。

2.1.2 提高穩(wěn)定性能

此種方式本質(zhì)是增加支撐數(shù)量或支撐間距，提高使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值，增大抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。如在獨(dú)柱墩墩頂增設(shè)蓋梁，增加支座數(shù)量或增大支座間距。此種方式在不改變?cè)Y(jié)構(gòu)受力體系的情況下可顯著提高上部結(jié)構(gòu)抗傾覆性能，但此種改造方式縮小了橋下空間，不適用于對(duì)橋下凈空要求受限的橋梁[2]。目前獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆加固改造多采用此種方式。

2.1.3 設(shè)置冗余約束

此種方式是通過(guò)在橋梁墩臺(tái)位置設(shè)置附加抗拉拔裝置或者限位構(gòu)造，為結(jié)構(gòu)提供冗余約束，但此種方式提供的抗拉拔力較為有限，不能從本質(zhì)上提高抗傾覆穩(wěn)定性。適用于特征狀態(tài)1支座脫空處治及結(jié)合其他傾覆防控措施作為安全儲(chǔ)備使用。

2.2 加固設(shè)計(jì)思路

根據(jù)18規(guī)范第4.1.8 條抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法及應(yīng)用指南4.4 節(jié)相關(guān)算例，對(duì)于獨(dú)柱墩抗傾覆維修處治最有效的方法為通過(guò)在獨(dú)柱墩位置增加支撐數(shù)量或增大橋臺(tái)或過(guò)渡墩位置支座間距，提高使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值，從而增大抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。根據(jù)算例及試算后發(fā)現(xiàn)，在獨(dú)柱墩位置增加支撐數(shù)量對(duì)抗傾覆系數(shù)的改善效果明顯優(yōu)于增大非獨(dú)柱墩支座間距，但對(duì)于某些斜交的跨線橋梁，在獨(dú)柱墩位置增加支撐數(shù)量會(huì)導(dǎo)致新增加構(gòu)造侵入下穿路線凈空時(shí)，通過(guò)增大橋臺(tái)或過(guò)渡墩支座間距來(lái)提高上部結(jié)構(gòu)抗傾覆性能仍然不失為一種有效的方式，尤其是對(duì)于兩孔的跨線橋，采用該方法具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。因此，參照以往類似項(xiàng)目常規(guī)通用處理方法，獨(dú)柱墩橋梁加固設(shè)計(jì)思路如下：

（1）條件不受限制時(shí)，盡可能采用在獨(dú)柱墩位置增加支撐數(shù)量的方案，增大上部結(jié)構(gòu)整體抗傾覆穩(wěn)定性能。具體思路為：通過(guò)在獨(dú)柱墩原支座兩側(cè)各增加一個(gè)板式橡膠支座，恒載反力由原支座承受，活載反力由三個(gè)支座共同承擔(dān)，將單點(diǎn)支撐調(diào)整為橫向三點(diǎn)支撐，提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定性使其滿足要求，同時(shí)降低或消除所有支座在特征狀態(tài)1 時(shí)的負(fù)反力。

（2）在獨(dú)柱墩位置新增加構(gòu)造侵入下穿路線凈空或綜合考慮施工對(duì)下穿路交通正常通行的影響，以及兩孔的跨線橋可考慮采用通過(guò)增大橋臺(tái)或過(guò)渡墩支座間距的方式增大上部結(jié)構(gòu)整體抗傾覆穩(wěn)定性能。具體思路為：通過(guò)在過(guò)渡墩或橋臺(tái)位置的梁端設(shè)置牛腿等構(gòu)造措施，拉大多支撐間距，從而提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定性使其滿足要求，同時(shí)降低或消除所有支座在特征狀態(tài)1 時(shí)的負(fù)反力。

3 加固設(shè)計(jì)原則

結(jié)合考慮獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果及橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況，設(shè)計(jì)方案在滿足提高抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)的前提下，保證技術(shù)可行、安全可靠，力求施工方便快捷，同時(shí)將抗傾覆加固改造施工對(duì)交通運(yùn)營(yíng)的影響降至最低。

（1）遵循“安全、經(jīng)濟(jì)、耐久”的原則確定加固方案。

（2）抗傾覆加固檢算采用空間有限元建立空間梁格模型進(jìn)行分析，滿足規(guī)范要求。

（3）檢算、加固方案符合交通運(yùn)輸部辦公廳發(fā)布的《公路危舊橋梁排查和改造技術(shù)要求》（交辦公路函〔2021〕321號(hào)）中有關(guān)規(guī)定。

（4）加固檢算荷載采用現(xiàn)行荷載標(biāo)準(zhǔn)（公路?I級(jí)）。

（5）加固提升后支座脫壓驗(yàn)算及橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)均滿足規(guī)范要求;固結(jié)墩控制截面承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算應(yīng)滿足規(guī)范要求。

（6）盡可能減小基礎(chǔ)的負(fù)荷，降低對(duì)下部結(jié)構(gòu)的影響，新增支座承載能力及加固橋梁基礎(chǔ)的承載力均應(yīng)滿足要求。

（7）方案便于實(shí)施，降低對(duì)既有交通的干擾。

（8）加固改造方案適用于既有橋梁空間布局及橋下跨線、跨河凈空要求。

（9）加固提升后新舊結(jié)構(gòu)的約束及變形應(yīng)協(xié)調(diào)，新增結(jié)構(gòu)和連接部位的構(gòu)造要求和耐久性應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，并考慮沉降、溫度、收縮等對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響。

（10）原有支座仍起主要承載作用，新增支座為針對(duì)超載車輛在偏載行駛的極端情況下采取的預(yù)防性抗傾覆措施。當(dāng)驗(yàn)算原有支座承載能力不足時(shí)該次加固施工中一并更換。

4 獨(dú)柱墩加固方案

4.1 加固設(shè)計(jì)方法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形、地貌、地勘情況及抗傾覆驗(yàn)算，建議對(duì)獨(dú)柱墩進(jìn)行加固。具體處治方案如下：

方案一：獨(dú)柱墩墩頂增設(shè)鋼蓋梁，增加支點(diǎn)數(shù)量。

在原獨(dú)柱墩墩柱上設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)蓋梁，在獨(dú)柱墩單支撐橫向兩側(cè)新增兩個(gè)支座，保留原橋支座使其承擔(dān)原橋恒載，活載由原支座及兩側(cè)新增支座共同承擔(dān)，新增支座采用四氟滑板橡膠支座，鋼結(jié)構(gòu)蓋梁采用Q355NHC 型鋼板，通過(guò)特殊倒錐形錨栓與原橋墩柱連接，如圖1。為了保證鋼結(jié)構(gòu)蓋梁整體質(zhì)量及焊接可靠性，鋼結(jié)構(gòu)整體均在工廠完成標(biāo)準(zhǔn)化加工，運(yùn)抵施工現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行安裝。

主要施工流程：（新增樁基礎(chǔ)→鑿毛原樁基礎(chǔ)樁頂2 m豎向長(zhǎng)度內(nèi)混凝土接觸面→植筋→綁扎承臺(tái)鋼筋、立?！鷿仓信_(tái)混凝土）根據(jù)具體驗(yàn)算結(jié)果確定→鑿毛擴(kuò)大端混凝土接觸面→植筋→（安裝鋼蓋梁）綁扎擴(kuò)大端鋼筋、立?！鷿仓U(kuò)大端混凝土新增橋墩綁扎鋼筋、立?！鷿仓U(kuò)大端混凝土→安裝板式橡膠支座;鋼筋混凝土擴(kuò)大端加固適用范圍：上部箱梁底板寬度小于5 m。

方案二：梁端增設(shè)鋼牛腿，拉大支座間距。

在過(guò)渡墩或橋臺(tái)位置的梁端增設(shè)鋼牛腿，在蓋梁或臺(tái)帽頂部通過(guò)植筋澆筑支座墊石，增設(shè)板式橡膠支座，加大既有多支撐間距，從而提高橋梁抗傾覆穩(wěn)定性使其滿足要求，同時(shí)降低或消除所有支座在特征狀態(tài)1時(shí)的負(fù)反力。為不改變橋梁原有受力體系，避免產(chǎn)生次生病害，原有支座仍起主要承載作用，使其承擔(dān)原橋恒載，活載由原支座及兩側(cè)新增支座共同承擔(dān)[3]。鋼牛腿采用Q355NHC 型鋼板，通過(guò)特殊倒錐形錨栓與箱梁端橫梁連接，如圖2。為了保證鋼牛腿整體質(zhì)量及焊接可靠性，鋼結(jié)構(gòu)整體均在工廠完成標(biāo)準(zhǔn)化加工，運(yùn)抵施工現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行安裝。

主要施工流程：（新增樁基礎(chǔ)→鑿毛原樁基礎(chǔ)樁頂2 m豎向長(zhǎng)度內(nèi)混凝土接觸面→植筋→綁扎承臺(tái)鋼筋、立?！鷿仓信_(tái)混凝土）根據(jù)具體驗(yàn)算結(jié)果確定→承臺(tái)與新增橋墩接觸面內(nèi)鑿毛→植筋（鋼柱則需要在承臺(tái)表面粘貼鋼板）→新增橋墩綁扎鋼筋、立?！鷿仓蚨栈炷粒ò惭b鋼柱）→安裝板式橡膠支座。鋼管柱加固適用范圍：墩身高度在6 m 以下。

4.2 確定獨(dú)柱墩改造位置

根據(jù)構(gòu)造規(guī)定，公路箱梁匝道橋應(yīng)避免采用連續(xù)的獨(dú)柱單支座式結(jié)構(gòu)，結(jié)合下穿線路情況，該次改造獨(dú)柱墩位置的確定應(yīng)滿足以下要求：①改造后橋梁上部結(jié)構(gòu)抗傾覆系數(shù)滿足規(guī)范要求，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全;②新增加構(gòu)造物不應(yīng)侵入公路界限范圍;③盡量避免影響下穿線路的正常通行;④改造后的橋梁不應(yīng)出現(xiàn)連續(xù)兩個(gè)獨(dú)柱墩的情況。綜合考慮獨(dú)柱墩改造的適用性、經(jīng)濟(jì)性，確定獨(dú)柱墩改造位置原則如下：

（1）對(duì)于兩跨一聯(lián)的獨(dú)柱墩橋梁，盡量通過(guò)拉大橋臺(tái)或過(guò)渡墩位置的多支撐間距使其上部結(jié)構(gòu)抗傾覆性能滿足規(guī)范要求，當(dāng)拉大支座間距仍難以滿足規(guī)范要求時(shí)考慮在1 號(hào)獨(dú)柱墩位置增加多支撐方案進(jìn)行改造;

（2）對(duì)于三跨一聯(lián)的獨(dú)柱墩橋梁，通過(guò)在1 號(hào)獨(dú)柱墩位置增加多支撐方案進(jìn)行改造使其上部結(jié)構(gòu)抗傾覆性能滿足規(guī)范要求。

（3）對(duì)于四跨一聯(lián)的獨(dú)柱墩橋梁，通過(guò)在1、3 號(hào)獨(dú)柱墩位置增加多支撐方案進(jìn)行改造使其上部結(jié)構(gòu)抗傾覆性能滿足規(guī)范要求。

（4）對(duì)于五跨一聯(lián)的獨(dú)柱墩橋梁，通過(guò)在1、3 號(hào)獨(dú)柱墩位置增加多支撐方案進(jìn)行改造使其上部結(jié)構(gòu)抗傾覆性能滿足規(guī)范要求。

（5）對(duì)于六跨一聯(lián)的獨(dú)柱墩橋梁，通過(guò)在1、3、5號(hào)獨(dú)柱墩位置增加多支撐方案進(jìn)行改造使其上部結(jié)構(gòu)抗傾覆性能滿足規(guī)范要求。

（6）對(duì)于N跨一聯(lián)的獨(dú)柱墩橋梁，通過(guò)在1、3、5…號(hào)獨(dú)柱墩位置間隔增加多支撐方案進(jìn)行改造使其上部結(jié)構(gòu)抗傾覆性能滿足規(guī)范要求[4]。

5 結(jié)論

該項(xiàng)目獨(dú)柱墩橋梁主要為跨線天橋及匝道橋，主梁構(gòu)造梁底寬分別為4 m、4.1 m、8 m，墩高5～18 m不等，從方案的可行性上來(lái)說(shuō)應(yīng)選擇有針對(duì)性的加固方案。由現(xiàn)場(chǎng)勘查可知，對(duì)于跨線天橋需加固獨(dú)柱墩多位于道路兩側(cè)的護(hù)坡內(nèi)，且距主線道路較近，從施工難易程度及對(duì)主線道路通行車輛影響大小來(lái)講，應(yīng)選擇墩頂增設(shè)鋼蓋梁，增加支點(diǎn)數(shù)量。對(duì)于匝道橋，車流量較大，通行重車較多，且存于曲線段上，選擇梁端增設(shè)鋼牛腿，拉大支座間距的方案較為合理。

參考文獻(xiàn)

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