某高速公路獨柱墩橋梁抗傾覆加固設計研究

胡祥森，鄭可卿，余茂峰

（浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310030）

1 工程概況

早期公路設計時考慮到外形美觀、已建工程的空間限制、防洪影響、工程經(jīng)濟性等因素，橋梁下部結構設計采用了較多的獨柱墩。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，載重貨車比例不斷提高，超載現(xiàn)象時有發(fā)生，獨柱墩橋梁抗傾覆安全富余度不足的問題日益突出。獨柱墩橋梁在超載車輛作用下易出現(xiàn)支座脫空、主梁滑移等不利情況，甚至發(fā)生橋梁失穩(wěn)傾覆的安全事故，造成較大的社會影響。

某高速公路2004年左右建成，里程長達120 km，互通、樞紐眾多，雖然在2011年進行了初次加固，但目前仍存在大量獨柱墩橋梁，且該高速交通繁忙、重載交通占比高、荷載工況復雜，對該高速上的獨柱墩橋梁進行抗傾覆加固有著很強的必要性和迫切性。結合《公路危舊橋梁排查和改造技術要求》（交辦公路函〔2021〕321號）（以下簡稱《技術要求》）及JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》第4.1.8條對橋梁抗傾覆提出的新要求[1，2]，本文對該高速公路獨柱墩橋梁的抗傾覆加固設計方案進行了深入研究，可為類似工程提供借鑒。

2 加固設計原則

2.1 設計原則

根據(jù)本項目的特點，在本次加固設計中貫徹以下總體設計原則：

1）根據(jù)“安全第一、科學評估、突出重點、分類施策”的總體原則開展本項目獨柱墩加固改造工作。

2）根據(jù)排查及驗算結果，對同一聯(lián)中連續(xù)設置3個及以上獨柱墩的、抗傾覆驗算不滿足相關規(guī)定或有嚴重抗傾覆相關病害的橋梁進行抗傾覆加固提升。

3）獨柱墩橋梁的加固改造應考慮橋梁的功能性要求、施工可實施性、檢測養(yǎng)護要求和景觀要求，結合具體結構形式進行多方案技術經(jīng)濟比較后確定。

4）作為加固工程，在技術方案的選擇上，應注意節(jié)約資源、減少對交通的干擾。

2.2 排查驗算原則

獨柱墩橋梁梁體傾覆病害的發(fā)生具有明顯的階段性，橋梁結構在行車偏載影響下，表現(xiàn)出某一單向支座脫空現(xiàn)象，此為傾覆第一階段，也是傾覆過程的開始；隨著荷載的持續(xù)增加，單向支座依次持續(xù)脫空，邊界條件呈現(xiàn)非線性，致使橋梁上部結構傾覆力矩達到或超出橋梁結構自重所具有的抗傾覆力矩而引發(fā)梁體失穩(wěn)，此為傾覆第二階段，也是結構失穩(wěn)的臨界狀態(tài)；之后，上部結構的支撐體系不再提供有效約束，上部結構變形或受力失穩(wěn)，以致傾覆、垮塌，支座、下部結構連帶損壞，是結構失穩(wěn)的最終狀態(tài)。

獨柱墩橋梁典型傾覆破壞過程如圖1所示。

圖1 獨柱墩橋梁典型傾覆破壞過程

現(xiàn)行規(guī)范通過控制橋梁結構不出現(xiàn)特征狀態(tài)1及特征狀態(tài)2來避免橋梁梁體傾覆破壞的出現(xiàn)。

《技術要求》規(guī)定，公路獨柱墩橋梁驗算應按照JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》第4.1.8條進行，要求：

1）橋梁在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)。

2）在作用標準值組合下，整體式梁橋的抗傾覆安全性系數(shù)應不小于2.5。

《技術要求》同時規(guī)定，汽車荷載取用標準應按現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行；對同一聯(lián)中連續(xù)3個及以上橋墩均為獨柱墩的橋梁及驗算不滿足或有嚴重抗傾覆相關病害的橋梁，應判定為有傾覆安全風險。該項目在驗算時主要遵循以下原則：

1）驗算時汽車荷載采用JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》規(guī)定的公路-Ⅰ級荷載[3]。

2）按JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》第4.1.8條驗算兩種特征狀態(tài)，驗算特征狀態(tài)1時（單向支座保持受壓狀態(tài)）取基本組合；驗算特征狀態(tài)2時（抗傾覆系數(shù)）取標準組合。恒載計算時需考慮自重、收縮徐變、基礎變位等效應并按規(guī)范規(guī)定進行組合。

3）根據(jù)《技術要求》及JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》，驗算結構抗傾覆的兩種特征狀態(tài)時，布置單列車時，橫向車道布載系數(shù)取1.2。

4）計算時有關活載及其組合按現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定執(zhí)行。

5）曲線橋梁需考慮內外側腹板長度、護欄長度、鋼束長度等的差異。

6）一聯(lián)中有墩梁固結的，應連同下部結構共同建模，做好抗傾覆及墩柱承載力的核查。

7）預應力、施工階段對支座反力的分配有一定影響，計算時予以考慮。

具體抗傾覆驗算可采用橋梁博士或Midas Civil軟件，按空間桿系有限元模型分析方法進行計算，很多文獻已對此進行了論述[4]，其過程本文不再詳述。

3 加固方案選擇

根據(jù)獨柱墩的傾覆特點，獨柱墩橋梁的加固措施一般可以從改變結構破壞模式（如單支座改為墩梁固結）、提高結構穩(wěn)定性能（如增大墩臺支座間距或單點支承改為多點支承）和設置冗余約束（如設置限位構造、抗拔裝置）3個方面考慮。但改變結構破壞模式適用條件較嚴格，對立柱結構上下部承載力有影響；而設置冗余約束不能從根本上提高結構的抗傾覆性能，且其可靠性和耐久性較難保證（湖北黃石花湖互通獨柱墩橋梁傾覆事故即是采用了設置抗拔措施的冗余約束的加固方法），所以本項目加固改造盡量保證結構支承體系不變，考慮采用更加可靠的提高結構穩(wěn)定性能的措施，即將同一橋墩原來的單點支承改為多點支承（或將小間距雙支座間距拉大，改為大間距多點支承）的方法，以構成結構的抗扭支承，加強對結構扭矩和扭轉變形的約束，增強結構抗傾覆能力。

考慮該高速公路的獨柱墩橋梁均設置有承臺結構，且在2011年部分獨柱墩橋梁已進行了初次加固，結合項目實際情況，本文針對性地提出了4種加固方案進行比較。

3.1 方案一：墩柱拼寬

采用植筋方式，加大橋墩截面，并在墩頂處設置左右外挑的牛腿，在牛腿上新增支座，形成多點支承（見圖2）。

圖2 方案一示意圖

對原來沒有在承臺上進行墩柱拼寬加固處理的橋墩，在橋下條件滿足且樁基驗算通過的情況下，一般均可采用該方案。該方案增大了橋墩截面，對原來設固定支座、墩高較高或橫向彎矩較大的墩，具有明顯優(yōu)勢。

3.2 方案二：增設鋼蓋梁

制作鋼蓋梁、鋼套箍，在墩頂打孔并植入螺栓，安裝鋼蓋梁；在立柱上鑿毛，分段安裝鋼套筒并注漿；在鋼蓋梁頂左右增設支座，鋼構件安裝完成后應及時進行防腐處理（見圖3）。

圖3 方案二示意圖

該方案通過在鋼蓋梁上增設支座形成多點支承；立柱新增鋼套筒可和蓋梁共同承擔鋼蓋梁傳遞下來的豎向力，同時鋼套筒可確保立柱安全。該方案結構輕盈，但增加了橋墩受力，養(yǎng)護要求稍高。該方案在橋寬不大、橋墩受力驗算滿足時較適用。

3.3 方案三：橫梁接長并增設鋼蓋梁

植筋，接長上部箱梁的橫梁；在原來已拼寬加固過的墩柱墩頂打孔并植入螺栓，安裝鋼蓋梁；在鋼蓋梁頂左右增設支座，鋼構件安裝完成后應及時進行防腐處理（見圖4）。

圖4 方案三示意圖

該方案通過在鋼蓋梁上增設支座，將小間距雙支座間距拉大，改為大間距多點支承。該方案結構輕盈，但養(yǎng)護要求稍高。該方案可以在已加固過的橋墩上進行二次加固時使用。

3.4 方案四：橫梁接長并新增立柱樁基

在原獨柱墩兩側打設新增的立柱、樁基，樁基施工完成后進行植筋，接長上部箱梁的橫梁；最后在兩側柱頂各設置一個新增支座（見圖5）。

圖5 方案四示意圖

橋墩橫橋向新增立柱以確保工程結構安全，新增設支座通過適當拉大支承間距，提高梁端梁體抗扭能力。

該方案后期養(yǎng)護要求低，可用于其他加固方案設置后樁基承載力驗算不能滿足的情況，也適用于原墩柱已進行加固處理的情況。但該方案橋下占用空間較大，樁基施工時對凈高要求較高，采用該方案時需嚴格核查樁基布置及施工空間。

3.5 方案比較

從施工便利性、交通影響、經(jīng)濟性及景觀效果等方面，對上述加固方案進行比較，比較情況見表1。

表1 獨柱墩加固方案比較表

從比較情況可以看出，方案一施工便利、交通影響小、經(jīng)濟性好、后期養(yǎng)護方便且景觀影響小，針對本項目獨柱墩接承臺的情況也較適用，故選擇方案一（墩柱拼寬）作為本項目加固時的推薦方案；方案二結構輕盈，基本不增加墩身質量，對樁基受力及落墩空間要求不高，但造價稍高，在方案一難以采用時，方案二（增設鋼蓋梁）作為可選方案進行補充。

本項目加固設計時，結合橋位處的具體條件，考慮下穿情況、橋下空間、地形條件及原橋梁設計情況等，根據(jù)驗算結果，采用“一橋一設計”的方法，按以下原則選擇合適的加固方案：

1）一般情況下，橋下空間及樁基受力滿足時，采用方案一（墩柱拼寬）。

2）當不能采用方案一時，在橋墩受力滿足的情況下，采用方案二（增設鋼蓋梁）。

3）當采用方案一和方案二仍不能滿足要求時，可根據(jù)具體情況采用方案三（橫梁接長并增設鋼蓋梁）或方案四（橫梁接長并新增立柱樁基）。

結合排查驗算情況及橋位處具體條件，最終該高速公路橋梁獨柱墩加固時，大部分橋墩采用了方案一（墩柱拼寬）進行加固，個別位于中分帶內或橋下空間不足的情況采用了方案二（增設鋼蓋梁），沒有采用方案三或方案四的情況。

該工程最終加固的獨柱墩橋梁共56聯(lián)；經(jīng)加固，這些獨柱墩橋梁的基本組合最小反力由-383.1 kN提升至42 kN，最小抗傾覆系數(shù)由1.48提升至4.1。

4 推薦方案設計

推薦的墩柱拼寬加固方案為較復雜的新老混凝土接合的牛腿式受力，為確保大面積應用的加固方案安全可靠，本文對推薦的墩柱拼寬方案進行了詳細研究。

4.1 方案設計

立柱橫向加寬，并在頂部1.7 m高度范圍內橫向外挑設牛腿；縱橋向每側加厚約25 cm；在墩柱加厚范圍內頂部牛腿處每側設置2排25 mm橫向拉桿，豎向間距10 cm，單側5層共10根；在墩柱加寬范圍內頂部牛腿處設置橫向錨固鋼筋并植入原立柱內。為方便安裝新增支座，墩頂55 cm高度范圍內的混凝土采用后澆，待新增支座安裝完畢后再進行澆筑。墩柱拼寬方案的主要構造圖詳見圖6；以原結構獨柱墩直徑1.3 m為例，改造后墩頂寬度4.1 m，墩底寬度2.5 m，墩厚1.8 m，新增支座間距3.2 m。

圖6 墩柱拼寬方案構造示意圖

4.2 方案驗算

為驗證加固方案的結構強度及評價橋墩新老混凝土接合面的受力性能，本文采用ABAQUS計算軟件建立了實體有限元模型對推薦的加固方案進行了分析。

模型按照支座、圓柱、新增混凝土、新老混凝土交界面以及鋼筋5部分建模；混凝土截面之間采用綁定連接，鋼筋采用內置算法內置于混凝土結構內；新老混凝土交界面為模型連接單元，根據(jù)試算結果確定是否采取剛度折減，以模擬新老混凝土連接；模型邊界條件為橋墩底部固結。

根據(jù)設計需要，分別按照3 MN、3.5 MN和4 MN在新增支座位置進行加載計算。實體有限元模型各結構應力示意圖如圖7所示。

圖7 實體有限元模型各結構應力示意圖

由表2可知，各結構應力遠小于對應材料強度設計值，均滿足要求；推薦的加固方案安全、可行。

表2 各結構最大應力值與材料強度對比表MPa

5 結語

早期公路設計時大量采用了獨柱墩結構橋梁，近年來獨柱墩橋墩的穩(wěn)定性問題逐漸顯現(xiàn)，多次發(fā)生超載導致橋梁倒塌、傾覆、落梁等事故，引發(fā)了社會的廣泛關注，造成了較大影響。本文結合《公技術要求》及JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》第4.1.8條對橋梁抗傾覆提出的新要求，對某高速公路獨柱墩橋梁的抗傾覆加固從設計及驗算原則、加固方案選擇到加固方案設計及計算做了詳細介紹，可為類似工程提供借鑒。