獨(dú)柱墩橋梁病害成因及橋梁設(shè)計(jì)相關(guān)問題研究

賈舒陽

（內(nèi)蒙古高等級公路建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

1 引言

獨(dú)柱墩橋梁因可以有效節(jié)省橋下通行空間、能夠減少對司機(jī)視線的遮擋，且外形簡潔美觀，被廣泛運(yùn)用在跨線橋和匝道橋中[1，2]，但其安全狀況不容小覷。

近年來，獨(dú)柱墩橋梁安全事故時(shí)有發(fā)生，從2007年至今，全國各地至少發(fā)生了6起類似的獨(dú)柱墩橋梁側(cè)翻事故。2012年8月，哈爾濱陽明灘大橋橋梁因3輛超載車集中靠右行駛導(dǎo)致橋梁傾覆，造成3死5傷。2015年6月，粵贛高速匝道橋因4輛貨車超載行駛造成橋梁傾覆垮塌，導(dǎo)致1死4傷。2020年10月10號傍晚，江蘇無錫312 國道高架橋發(fā)生側(cè)翻事故，造成3 人死亡2 人受傷。獨(dú)柱墩橋梁的安全問題在業(yè)界得到廣泛重視[3-5]。

2020 年，交通運(yùn)輸部開展獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)行安全提升專項(xiàng)行動(dòng)，也將獨(dú)柱墩橋梁安全問題推上新的高度。文章結(jié)合獨(dú)柱墩橋梁排查過程中的所見所想，從病害表征出發(fā)，探究可能導(dǎo)致病害的原因，進(jìn)而對獨(dú)柱墩橋梁設(shè)計(jì)及分析提出改進(jìn)建議，對其他混凝土梁式橋的設(shè)計(jì)有參考意義。

2 獨(dú)柱墩設(shè)計(jì)及計(jì)算分析現(xiàn)狀[6]

從國內(nèi)四家公路行業(yè)甲級設(shè)計(jì)院對獨(dú)柱墩橋梁的復(fù)核驗(yàn)算報(bào)告看，目前國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)界對獨(dú)柱墩橋梁的驗(yàn)算主要方式及問題如下：

②驗(yàn)算分析時(shí)未考慮已運(yùn)營獨(dú)柱墩橋梁現(xiàn)有病害情況，無法準(zhǔn)確模擬橋梁實(shí)際受力狀態(tài)。

③建模時(shí)未建立固結(jié)墩模型，僅以固定約束代替，未考慮固結(jié)墩剛度對墩梁內(nèi)力分布的影響。

圖1 某有固結(jié)墩的獨(dú)柱墩橋梁計(jì)算分析模型（未建立固結(jié)墩單元）

④梁單元模型無法較為精準(zhǔn)地分析梁體扭轉(zhuǎn)問題，在設(shè)計(jì)過程中往往忽略梁體扭轉(zhuǎn)問題的分析驗(yàn)算。

⑤在設(shè)計(jì)過程中，部分橋梁僅配置單側(cè)防撞墻，防撞墻自重較大，對梁體穩(wěn)定性不利。

⑥部分獨(dú)柱墩橋梁在設(shè)計(jì)過程中考慮到傾覆問題，進(jìn)行了防傾覆構(gòu)造設(shè)計(jì)，但對運(yùn)營中獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，通常不考慮防傾覆構(gòu)造對橋梁抗傾覆的貢獻(xiàn)，僅以無防傾覆構(gòu)造模式進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果失真。

⑦構(gòu)造設(shè)計(jì)相對缺失，對橋梁構(gòu)造設(shè)計(jì)尤其是獨(dú)柱墩橋梁的構(gòu)造設(shè)計(jì)不夠細(xì)致，橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中導(dǎo)致病害。

⑧獨(dú)柱墩驗(yàn)算基于抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值大于一定限值來控制，對反力的驗(yàn)算僅關(guān)注是否出現(xiàn)支座負(fù)反力。而對于結(jié)構(gòu)本身會(huì)不會(huì)出現(xiàn)破壞、支座產(chǎn)生負(fù)反力后關(guān)聯(lián)的病害如何發(fā)展并無明確分析。

維修方式是對汽車機(jī)件維修內(nèi)容及其時(shí)機(jī)的控制形式，其中又以定時(shí)維修及視情維修最為多見。定時(shí)維修是按規(guī)定的時(shí)間不查看技術(shù)狀況而進(jìn)行拆卸的工作方式?！耙?guī)定的時(shí)間”可以是規(guī)定的間隔期、累計(jì)工作時(shí)間、日歷時(shí)間、里程和次數(shù)等。定時(shí)方式以時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，維修時(shí)機(jī)的掌握比較明確，便于安排生產(chǎn)，但針對性差、維修工作量大、經(jīng)濟(jì)性差。 視情維修是基于這樣一種事實(shí)進(jìn)行的，大量的故障不是瞬時(shí)發(fā)生的，故障從出現(xiàn)至發(fā)生，總有一段時(shí)間出現(xiàn)異?，F(xiàn)象并有征兆可尋。因此，如果采用性能監(jiān)控或無損檢測等技術(shù)就可以找到跟蹤故障跡象的辦法，然后采取措施預(yù)防或避免發(fā)生故障，所以這種維修方式也被稱為預(yù)知維修或預(yù)兆維修方式。

3 獨(dú)柱墩橋梁病害調(diào)查實(shí)例及病害成因分析[7][8]

案例一：某互通匝道橋?qū)侏?dú)柱墩曲線橋梁，上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，孔跨布置為22.611+2×25+20（m），下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺(tái)、連續(xù)三根獨(dú)柱墩，基礎(chǔ)類型為擴(kuò)大基礎(chǔ)。經(jīng)驗(yàn)算，該橋最小抗傾覆系數(shù)2.14，不滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 箱梁橫斷面圖（cm）

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該橋雖然抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求，但該橋加大了端橫梁尺寸，增大了支座間距，同時(shí)在橋臺(tái)臺(tái)帽上增設(shè)了寬80cm、高100cm 的擋塊，為防止獨(dú)柱墩墩頂因局部承壓過大開裂增設(shè)了鋼套筒。該橋端橫梁存在斜向裂縫。該橋總體技術(shù)狀況良好，未見支座偏壓、梁體滑移、扭轉(zhuǎn)病害等傾覆傾向性病害。

對比現(xiàn)場調(diào)查情況與驗(yàn)算報(bào)告發(fā)現(xiàn)：設(shè)計(jì)單位在對該橋進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算的計(jì)算分析過程中，并未考慮擋塊對橋梁抗傾覆的貢獻(xiàn)。而該橋端橫梁出現(xiàn)的斜向裂縫，是由于端橫梁剪力筋設(shè)計(jì)不合理造成，可能由于抗剪計(jì)算分析有誤導(dǎo)致。

與該橋設(shè)計(jì)基本一致的另外三座橋梁，抗剪傾覆系數(shù)亦不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，但未見支座偏壓、梁體滑移、扭轉(zhuǎn)病害等傾覆傾向性病害。

案例二：某互通匝道橋?qū)侏?dú)柱墩曲線橋梁，上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，孔跨布置為4×25（m），下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺(tái)、僅設(shè)置一根獨(dú)柱墩（獨(dú)柱墩與梁體間設(shè)置固定支座）、其余橋墩均為雙柱式橋墩。經(jīng)驗(yàn)算，該橋抗傾覆系數(shù)8.2，遠(yuǎn)高于現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該橋支座橫向限位裝置損壞，梁體橫向滑移6cm，橋墩蓋梁擋塊擠壓開裂，獨(dú)柱墩橫向傾斜5cm。該橋在出現(xiàn)上述病害的兩個(gè)月內(nèi)交通量較往常增大了2倍以上，行駛車輛多以49t貨車為主，橋上兩車道長時(shí)間布滿超速行駛的貨車。

該橋雖抗傾覆驗(yàn)算系數(shù)滿足規(guī)范要求，但表現(xiàn)出明顯的傾覆傾向性病害，存在傾覆趨勢。而該病害形成原因與短期汽車荷載激增、車輛在曲線段行走時(shí)橫向離心力較大有明顯相關(guān)性。因梁體橫向滑移，獨(dú)柱墩與梁體設(shè)置了固定支座，導(dǎo)致獨(dú)柱墩被梁體拉歪。

4 獨(dú)柱墩橋梁設(shè)計(jì)及加固設(shè)計(jì)建議[9,10]

從上述兩個(gè)案例可以看出：獨(dú)柱墩橋梁破壞模態(tài)不只是傾覆一種；獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆性能也不是一個(gè)固定不變的狀態(tài)，它與橋梁本身的設(shè)計(jì)抗傾覆系數(shù)、抗傾覆構(gòu)造設(shè)計(jì)是否健全、橋梁是否存在橫向滑移及其他進(jìn)程性病害有關(guān)。按照理想狀態(tài)計(jì)算，抗傾覆性能滿足要求的橋梁在出現(xiàn)病害或運(yùn)營狀態(tài)發(fā)生改變的情況下亦存在傾覆的可能性；抗傾覆系數(shù)不滿足要求的橋梁，在做好相關(guān)構(gòu)造設(shè)計(jì)的前提下也可能永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生傾覆事件。

結(jié)合上述分析，對獨(dú)柱墩曲線橋梁設(shè)計(jì)、抗傾覆驗(yàn)算及加固設(shè)計(jì)提出如下建議：

①驗(yàn)算建模應(yīng)考慮固結(jié)墩的梁體內(nèi)力分布的影響，對于設(shè)定了固定支座、固結(jié)墩的獨(dú)柱墩橋梁，應(yīng)在建模時(shí)建立橋墩模型，綜合分析墩梁共同受力狀態(tài)下的內(nèi)力分布問題。

②對于驗(yàn)算中出現(xiàn)支座負(fù)反力的橋梁，考慮到多數(shù)支座僅受壓并不受拉，應(yīng)將出現(xiàn)負(fù)反力的支座約束釋放，重新進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)受力分析及驗(yàn)算。

③曲線橋梁受力較為復(fù)雜，除常見的彎剪受力外，受扭是曲線梁必須關(guān)注的問題，在本次調(diào)查中有部分曲線梁橋梁體通體出現(xiàn)底板、腹板、頂板斜裂縫，該裂縫與梁體抗扭承載力不足有關(guān)，而常規(guī)的梁單元模型無法準(zhǔn)確模擬分析橋梁彎剪扭受力狀態(tài)，應(yīng)建立實(shí)體模型進(jìn)行分析，抗傾覆驗(yàn)算荷載不應(yīng)以設(shè)計(jì)荷載為準(zhǔn)而應(yīng)以實(shí)際調(diào)查的代表性荷載為準(zhǔn)。對投入運(yùn)營的橋梁，還應(yīng)考慮已有橋梁病害對橋梁抗傾覆性能的影響。

④部分橋梁的病害與傾覆問題無關(guān)，表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)配筋不足、尤其是構(gòu)造設(shè)計(jì)考慮不全面的問題，如局部承壓配筋不足、截面突變位置未設(shè)置承托過渡、抗剪配筋不足等問題，這就要求設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中，不僅要關(guān)注結(jié)構(gòu)總體承載力設(shè)計(jì)驗(yàn)算問題，更加要關(guān)注構(gòu)造設(shè)計(jì)，從歷年橋梁病害情況來看，構(gòu)造設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致橋梁病害的問題遠(yuǎn)比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力不足的問題更突出。

⑤抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與橋梁穩(wěn)定性問題并無明顯關(guān)聯(lián)性，在養(yǎng)護(hù)過程中要重點(diǎn)關(guān)注橋上荷載變化情況、擋塊擠壓破壞問題、梁體橫向滑移問題等。這些都是橋梁存在傾覆可能性的表征。此外，對于非獨(dú)柱墩橋梁，亦存在傾覆問題，橋梁是否會(huì)傾覆不應(yīng)以是否為獨(dú)柱墩為評判依據(jù)。

⑥獨(dú)柱墩橋梁設(shè)計(jì)，盡可能不要將固定支座設(shè)置在獨(dú)柱墩上，要考慮高大擋塊等抗傾覆構(gòu)造設(shè)計(jì)。

⑦對于墩梁固結(jié)的獨(dú)柱墩要進(jìn)行詳細(xì)的承載力計(jì)算分析，做好獨(dú)柱墩的配筋設(shè)計(jì)，做好抗扭設(shè)計(jì)，根據(jù)墩梁固結(jié)處彎拉組合受力模式計(jì)算分析固結(jié)墩在梁體內(nèi)的錨固鋼筋的抗拔性能是否滿足要求。同時(shí)墩梁固結(jié)處應(yīng)考慮局部應(yīng)力激增導(dǎo)致的橋墩彎剪破壞問題，必要時(shí)增設(shè)套筒、局部增大截面等構(gòu)造設(shè)計(jì)。

⑧并非所有的抗傾覆穩(wěn)定性不滿足要求的獨(dú)柱墩橋梁均需增設(shè)蓋梁或支墩，應(yīng)結(jié)合調(diào)查情況，給與增設(shè)抗傾覆構(gòu)造（如擋塊等）、曲線外側(cè)增設(shè)支撐構(gòu)造、控制橋上車流量或車輛行駛軌跡等處置方式。對于必須增設(shè)蓋梁或支墩的橋梁，建議不改變橋梁原約束體系，梁底增設(shè)支座的方式會(huì)引起梁體內(nèi)力重分布，可能造成梁體其他病害，建議將蓋梁擋塊做大做強(qiáng)、支墩加高，使得擋塊或支墩扶在梁體翼緣下方，對梁體翼緣做局部補(bǔ)強(qiáng)處理，在梁體出現(xiàn)傾覆傾向時(shí)對梁體扭轉(zhuǎn)起到控制作用即可。曲線梁橋的傾覆通常見于向曲線外側(cè)傾覆，故為了控制該傾覆傾向，可在梁體曲線內(nèi)側(cè)適當(dāng)增加配重，如曲線外側(cè)設(shè)置鋼護(hù)欄、內(nèi)側(cè)設(shè)置混凝土護(hù)欄等。

⑨對于連續(xù)設(shè)置獨(dú)柱墩的橋梁，可以考慮將獨(dú)柱墩偏心設(shè)計(jì)，即將獨(dú)柱墩偏離梁體中心線布置，或偏向于曲線外側(cè)，或沿梁體中心線呈梅花形錯(cuò)落布置。

5 結(jié)語

綜上所述，獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆研究也為其他橋梁的設(shè)計(jì)及病害分析提供了參考，對于存在傾覆性問題、橋梁弱墩的框架體系橋梁等的養(yǎng)護(hù)加固也具有參考意義。