擴(kuò)建高速公路獨(dú)柱墩橋梁的橫向抗傾覆對策

陳 云

(廣東省高速公路發(fā)展股份有限公司佛開分公司，廣東 佛山 528000)

0 引言

獨(dú)柱墩橋梁因結(jié)構(gòu)輕巧、橋下通透性好、適應(yīng)橋下道路及構(gòu)筑物等復(fù)雜場地條件能力強(qiáng)、節(jié)約造價等優(yōu)點(diǎn)，在公路匝道橋、跨線橋和城市立交橋梁中有著廣泛的應(yīng)用。但是近年來獨(dú)柱墩橋梁因施工過程中施工作業(yè)不當(dāng)或運(yùn)營過程中超載車輛通行而倒塌的事故時有發(fā)生。

這些事故的發(fā)生往往沒有明顯的征兆，偶發(fā)性和破壞性強(qiáng)，帶來了巨大的生命和財產(chǎn)損失，社會影響惡劣，是橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營的一大隱患。

事故發(fā)生后，各地均相繼展開了獨(dú)柱墩橋梁安全排查工作，廣東省在粵贛高速公路“6·19”事故后也啟動了對高速公路和城市道路獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆安全性評估與結(jié)構(gòu)加固工作。由于目前獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆評估的理論體系尚不十分完善，各省市采取的抗傾覆評估方法與準(zhǔn)則不一。

佛開高速公路作為粵西地區(qū)的交通要道，是廣東省內(nèi)少數(shù)幾條已經(jīng)部分?jǐn)U建至雙向八車道的高速公路，本文結(jié)合佛開高速公路擴(kuò)建段獨(dú)柱墩橋梁的特點(diǎn)，介紹其橫向抗傾覆評估的技術(shù)準(zhǔn)則與改造對策。

1 擴(kuò)建高速公路獨(dú)柱墩橋梁特點(diǎn)

高速公路橋梁獨(dú)柱墩多用于跨線橋和匝道橋，其上部結(jié)構(gòu)一般采用連續(xù)箱梁，其中主線跨線橋一般位于直線段，匝道橋一般位于曲線段。

在高速公路改擴(kuò)建的過程中，匝道橋通常需要拆除改造，其結(jié)構(gòu)特征與一般的匝道橋無異，而主線橋通常采用兩側(cè)拼寬的方式，其結(jié)構(gòu)特征與采用的拼寬方式有關(guān)。佛開高速公路擴(kuò)建時主線拼寬采用了分離式路基和整體式路基兩種方案：分離式路基段原建橋和擴(kuò)建橋分離，結(jié)構(gòu)受力相對獨(dú)立，可按一般的獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行處治；整體式路基段原建橋和擴(kuò)建橋拼接，對于連續(xù)箱梁橋，目前采用縱向伸縮縫的方式進(jìn)行橫向拼接。

2 獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆性能評估

2.1 獨(dú)柱墩橋梁橫向傾覆的機(jī)理[1-3]

典型獨(dú)柱墩橋梁垮塌事故顯示，獨(dú)柱墩橋梁的橫向傾覆依結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)表現(xiàn)為兩種形式：一種為上部混凝土或鋼箱梁的整體傾覆，如包頭市民族東路高架橋和哈爾濱陽明灘大橋；另一種為墩柱傾倒后的結(jié)構(gòu)垮塌，如上虞春暉互通立交匝道橋和粵贛高速公路城南互通C匝道橋。前者主要是由橋面汽車荷載偏載作用下梁體繞某一轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動至某一角度后翻轉(zhuǎn)或滑落至地面，后者則是在橋面汽車荷載偏載作用下梁體繞某一轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動至某一角度后，支座失效或墩柱在梁體翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的較大水平推力作用下斷裂，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)垮塌。

獨(dú)柱墩橋梁橫向傾覆的上述機(jī)理相對明確，但由于缺乏理論分析數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果，關(guān)于影響梁體傾覆的關(guān)鍵性參數(shù)目前還缺乏深入研究。

2.2 獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆性能評估方法

獨(dú)柱墩橋梁橫向傾覆屬于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題，在過去的很長一段時間內(nèi)，公路橋梁建設(shè)者對主梁受力主要集中于梁體的抗彎、抗剪強(qiáng)度和抗裂性等，而對主梁傾覆穩(wěn)定性鮮有關(guān)注，現(xiàn)行公路橋梁設(shè)計規(guī)范在這方面也暫為空白。

目前，關(guān)于獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆性能的評估以理論計算分析為主。由于缺乏規(guī)范的明確規(guī)定，各地公路管理部門在對其管轄范圍內(nèi)獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行評估時采取的準(zhǔn)則不一[4-6]。

廣東省吸收其他省市獨(dú)柱墩處理的經(jīng)驗，結(jié)合廣東省高速公路車輛運(yùn)營的現(xiàn)狀，以《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-20××，總校稿)中關(guān)于主梁橫向傾覆穩(wěn)定性的規(guī)定為基礎(chǔ)，制定了獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋橫向抗傾覆安全性評估的準(zhǔn)則(以下簡稱“準(zhǔn)則”)[7]，其驗算要求如下：

(1)在作用基本荷載組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)；當(dāng)汽車荷載分項系數(shù)為3.4時，單向受壓支座宜保持受壓狀態(tài)。

(2)當(dāng)箱梁橋整聯(lián)只采用單向受壓支座支承時，應(yīng)滿足：

∑Sbk,i/∑Ssk,i≥kqf

式中：kqf—橫向抗傾覆安全系數(shù)，取kqf=5；

∑Sbk,i—使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用標(biāo)準(zhǔn)組合的效應(yīng)設(shè)計值；

∑Ssk,i—使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的作用標(biāo)準(zhǔn)組合的效應(yīng)設(shè)計值。

(3)在作用基本荷載組合下，汽車荷載分項系數(shù)為3.4時，獨(dú)柱中墩支座轉(zhuǎn)角應(yīng)小于0.02rad。

(4)在作用基本荷載組合下，汽車荷載分項系數(shù)為3.4時，固結(jié)中墩壓彎強(qiáng)度應(yīng)滿足設(shè)計規(guī)范的要求。

其中，橫向抗傾覆安全系數(shù)的計算與規(guī)范JTG D62-20××(總校稿)規(guī)定的方法一致，但安全系數(shù)取值5.0為該規(guī)范值2.5的2.0倍。

3 獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆改造方案

目前，針對獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆性能的改造，主要有兩種思路[8-9]：一種是通過增設(shè)支座或調(diào)整原有支座間距來確保設(shè)計荷載下支座不脫空、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)滿足要求，常見的有增設(shè)鋼蓋梁或混凝土蓋梁、增設(shè)樁柱、墩柱加大為薄壁墩等方式；另一種則主要從控制極端狀態(tài)下梁體不傾覆落梁的角度出發(fā)，提出了增設(shè)鋼拉桿和預(yù)應(yīng)力錨索構(gòu)造。

增設(shè)鋼蓋梁和鋼拉桿方案在廣東省高速公路獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆加固中有著廣泛應(yīng)用，但實際應(yīng)用中鋼蓋梁也存在著安裝難度較大、造價相對較高、僅適用于等截面圓形墩等問題，而鋼拉桿受制作安裝精度的影響，其實際作用也可能大打折扣。

圖1 獨(dú)柱墩增設(shè)鋼蓋梁方案

圖2 獨(dú)柱墩增設(shè)樁柱方案

4 擴(kuò)建獨(dú)柱墩橋梁橫向抗傾覆改造對策

與上述獨(dú)柱墩橋梁不同的是，采用縱向伸縮縫擴(kuò)建拼接的獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁往往面臨更復(fù)雜的問題。以佛開高速公路龍山跨線橋為例：該橋上跨地方道路，并被G325國道上跨，其左幅第22～24跨和右幅第23～26跨均采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋跨布置分別為(22.5m+2×30m+21.5m)和(25.5m+2×30m+19.7m)。受橋下地方道路的限制，原建橋三個中間墩均采用獨(dú)柱墩，邊墩采用雙柱墩，兩個支座橫向間距6m；擴(kuò)建橋中墩采用雙柱墩，其余兩個中間墩采用獨(dú)柱墩，參見圖3。

4.1 橫向抗傾覆安全性評估結(jié)果

按2.2節(jié)所述評估準(zhǔn)則，建立空間桿系有限元模型對龍山跨線橋左、右幅橋原建橋和擴(kuò)建橋分別進(jìn)行了驗算，結(jié)果如表1所示。計算的四聯(lián)橋在基本組合邊支座均存在負(fù)反力，不滿足“準(zhǔn)則”要求；單車道汽車荷載分項系數(shù)為3.4時，邊支座反力更大程度地不滿足要求，原建橋中墩支座轉(zhuǎn)角均大于0.02rad，也不滿足“準(zhǔn)則”要求，擴(kuò)建橋中墩支座轉(zhuǎn)角均小于0.02rad，滿足要求；各聯(lián)橋最小抗傾覆安全系數(shù)26.1，明顯大于5.0，滿足要求。

表1 龍山跨線橋獨(dú)柱墩橋聯(lián)橫向抗傾覆驗算結(jié)果

4.2 橫向抗傾覆改造對策

本橋連續(xù)箱梁橫向抗傾覆安全性驗算結(jié)果顯示，雖然原建橋和擴(kuò)建橋抗傾覆安全系數(shù)均滿足要求，但支座反力均不滿足要求，原建橋中墩支座轉(zhuǎn)角也不滿足要求，結(jié)構(gòu)整體抗傾覆能力不足。原建橋抗傾覆能力較擴(kuò)建橋低，主要與原建橋三個中間墩均為獨(dú)柱墩，而擴(kuò)建橋三個中間墩中有一個采用雙柱墩，使得結(jié)構(gòu)整體抗扭性能明顯提升有關(guān)。

從原建橋和擴(kuò)建橋既有墩柱布置與地方道路的相對位置關(guān)系來看：左、右幅橋原建橋和擴(kuò)建橋中墩(Z23#、Y24#墩)均位于地方道路以外，即可采用增設(shè)蓋梁方案，也可根據(jù)需要采用增設(shè)樁柱方案；其余兩個原建橋中間墩均位于地方道路中央分隔帶內(nèi)，兩個擴(kuò)建橋中間墩也緊鄰地方道路，無法采用增設(shè)樁柱方案，且橋下空間有限，墩頂增設(shè)蓋梁將壓縮橋下凈空，影響地方道路車輛通行，不宜采用。

注意到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)由于縱向伸縮縫的存在，原建橋和擴(kuò)建橋箱梁無法整體受力，大大削弱了結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，擬通過增設(shè)橫梁加強(qiáng)原建和擴(kuò)建箱梁的整體性，提高其抗傾覆能力。

基于上述分析，提出本橋橫向抗傾覆改造對策如下：

(1)對原建橋中墩(Z23#、Y24#墩)兩側(cè)橫向各增設(shè)一根樁柱。增設(shè)墩柱直徑1.2m，樁基直徑1.3m。為了滿足結(jié)構(gòu)抗傾覆受力需要，新增墩柱與原有墩柱中心距設(shè)為3.9m；新增墩柱頂面設(shè)GJZ700×700×125板式橡膠支座；墩頂箱梁增設(shè)橫梁，橫梁增設(shè)長度1.1m，縱向厚度1.2m。新增樁基采用C30混凝土，墩柱采用C35混凝土，橫梁采用C40補(bǔ)償收縮纖維混凝土。

(2)對原建橋其余兩中間墩(Z22#/24#、Y23#/25#墩)墩頂處箱梁增設(shè)橫梁，使之與擴(kuò)建橋箱梁形成可靠連接。增設(shè)橫梁采用焊接鋼結(jié)構(gòu)，通過錨栓錨固于箱梁腹板側(cè)面和翼緣底面。鋼材均采用Q355NHC耐候鋼，鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝采用環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵中間漆+氟碳面漆，干膜總厚度280μm。

施工中首先對中墩增設(shè)墩樁，再對其余中間墩頂箱梁增設(shè)連接鋼橫梁。

表2給出了以右幅橋為代表的獨(dú)柱墩橋聯(lián)改造后橫向抗傾覆性能驗算結(jié)果。經(jīng)改造，基本組合邊支座反力已由負(fù)反力-652kN變?yōu)檎戳?12kN，明顯改善；單車道汽車荷載分項系數(shù)為3.4時，邊支座負(fù)反力由-2 322kN減小至-591kN，也明顯減小；中墩支座最大轉(zhuǎn)角由0.089rad降低至0.003rad，均滿足“準(zhǔn)則”要求。

圖3 龍山跨線橋獨(dú)柱墩橫向抗傾覆改造對策

圖4 龍山跨線橋增設(shè)樁柱布置

圖5 龍山跨線橋原建和擴(kuò)建箱梁橫向連接布置

5 結(jié)語

在橋梁工作者逐漸認(rèn)識并日漸重視橋梁橫向穩(wěn)定性的今天，新建橋梁已盡量避免設(shè)置獨(dú)柱墩。但在過去數(shù)十年間建成的獨(dú)柱墩橋梁仍有大量在服役中，在對這些獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行橫向抗傾覆改造時，往往受原有橋梁構(gòu)造、現(xiàn)場條件等的制約，無法采用常規(guī)方案。對于采用兩側(cè)拼寬的獨(dú)柱墩橋梁來說，本文提出的在原建橋和擴(kuò)建橋梁體之間增設(shè)鋼橫梁的方案受力合理、施工簡便，效果較好，可供類似工程借鑒。