一種獨柱墩高架橋的單側(cè)設(shè)樁加固裝置

陳修和, 董 閣

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司;公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

由于具有減少占用土地、增加視野和橋型美觀的優(yōu)點，獨柱墩橋梁被廣泛應(yīng)用于我國城市高架橋中。但獨柱墩橋梁的抗傾覆能力較差，在卡車超載情況下，容易誘發(fā)傾覆[1-5]，如圖1所示。

圖1 獨柱墩高架橋傾覆破壞示意圖

近年來發(fā)生的獨柱墩橋梁傾覆案例有：

(1)2009年7月15日，津晉高速公路港塘收費站800 m外匝道橋(屬于獨柱墩橋梁)上有5輛載重型車通過，這時候獨柱墩橋梁發(fā)生傾覆坍塌。

(2)2011年2月22日，在上虞縣道南春線春暉互通立交橋引匝道(屬于獨柱墩橋梁)4輛超重貨車靠邊行駛并連著上橋，導(dǎo)致橋面由于偏載加超重發(fā)生坍塌事故。

(3)2012年8月24日，哈爾濱市三環(huán)路高架橋洪湖路上橋匝道(屬于獨柱墩橋梁)處有4輛超載重型車輛(其總重為485 t)并行且靠獨柱墩橋梁的一邊行駛，屬嚴重超載再額外加上嚴重偏載，導(dǎo)致獨柱墩橋梁發(fā)生倒塌。

(4)2019年10月10日，無錫市境內(nèi)312國道上跨錫港路高架橋，由于車輛偏載超載導(dǎo)致該段梁橋所受傾覆力矩大于抗傾覆力矩出現(xiàn)橋面?zhèn)确瑯蛳?輛小車被壓。

可見，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展,交通流量日益增大，特別是偶現(xiàn)超載嚴重的卡車違規(guī)上橋(有的超載高達200%以上)，導(dǎo)致獨柱墩高架橋存在較大的安全隱患。有必要對部分重點路段的既有獨柱墩高架橋進行提前加固，消除傾覆隱患，防止產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失與人員傷亡。然而，由于獨柱墩所處位置的復(fù)雜性，某些獨柱墩兩側(cè)無足夠的空間進行加固，只能在一側(cè)進行加固。為此，本文來探討單側(cè)加固獨柱墩的方法。

1 單側(cè)設(shè)樁加固方法

本文介紹一種獨柱墩高架橋的單側(cè)設(shè)樁加固方法，如圖2與圖3所示，包括新建樁基、新建承臺、新建橋墩與鋼梁；新建承臺下方設(shè)置一根或多根新建樁基，新建承臺上設(shè)置一個或多個新建橋墩；新建樁基、新建承臺位于原樁基、原承臺的一側(cè)，且盡可能的遠離原樁基、原承臺；新建橋墩的頂面與橋面的一側(cè)底面相互接觸；鋼梁與新建橋墩、原橋墩的頂部相連且呈水平狀分布；鋼梁在與新建橋墩相對稱的另一側(cè)端部設(shè)置支點，支點的頂面與橋面的另一側(cè)底面相互接觸。

圖2 加裝加固裝置后的橋梁主視圖

圖3 加裝加固裝置后的橋梁三維結(jié)構(gòu)示意圖

新建樁基、新建承臺位于原樁基、原承臺的一側(cè)，且盡可能地遠離原樁基、原承臺，一方面對原有基礎(chǔ)影響較小，另一方面增大了新建橋墩與原橋墩組合體系的剛度，具有較大的抗傾覆能力。新建橋墩與原橋墩距離越大，對阻止橋梁傾覆越有利，且有利于減小新建橋墩的尺寸。

圖4與圖5為獨柱墩高架橋加裝本文所提的防傾覆加固裝置后抵抗兩側(cè)偏載的示意圖。

為了避免橋面底部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，可在支點的頂面、新建橋墩的頂面設(shè)置面積較大的鋼板，鋼板上部再設(shè)置一定厚度的橡膠片，橡膠片的頂面與橋面底部直接接觸。

鋼梁與新建橋墩、原橋墩的頂部相連且呈水平狀分布。鋼梁把新建橋墩與原橋墩相連，增加了整體剛度。

當設(shè)置新建橋墩一側(cè)的橋面承受較大偏心荷載且具有傾覆趨勢時，新建橋墩與原橋墩共同支撐橋面，且新建橋墩與原橋墩均受到豎直向下的壓力，如圖4所示。此時鋼梁基本不發(fā)揮作用。

圖4 抵抗右側(cè)偏載示意圖

當設(shè)置新建橋墩的另一側(cè)橋面承受較大偏心荷載且具有傾覆趨勢時，鋼梁上的支點與原橋墩共同支撐橋面；支點受到的壓力通過鋼梁傳遞給原橋墩與新建橋墩，使原橋墩受到豎直向下的壓力，而新建橋墩受到豎直向上的拔力，如圖5所示。此時鋼梁類似以原橋墩為支點發(fā)生旋轉(zhuǎn)(類似杠桿原理)，有效阻止橋梁傾覆。

圖5 抵抗左側(cè)偏載示意圖

通常，新建橋墩的直徑大大小于原橋墩的直徑，新建樁基的直徑與長度也大大小于原樁基的直徑與長度。且新建橋墩與原橋墩距離越大，新建樁基與新建橋墩的尺寸越小。

鋼梁的具體構(gòu)型、與橋墩的連接方式等，按現(xiàn)有公知技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)其所提功能，故其細節(jié)未在附圖中體現(xiàn)。鋼梁可包裹在原橋墩與新建橋墩的外圍并相互連接。

一般地，鋼梁與原橋墩設(shè)置成鉸接關(guān)系，鋼梁與新建橋墩設(shè)置成固接關(guān)系，這樣才能方便地使鋼梁以原橋墩為支點發(fā)生旋轉(zhuǎn)，類似杠桿原理使新建橋墩受到豎直向上的拔力(如圖5所示)。鋼梁應(yīng)滿足極端偏心荷載作用下的應(yīng)力傳遞而不發(fā)生屈曲與失效。

新建橋墩的頂面與橋面的一側(cè)底面相互接觸，但互不相連。支點的頂面與橋面的一側(cè)底面相互接觸，但互不相連。此處“互不相連”指無固結(jié)或鉸接連接，兩者僅相互接觸而已，本質(zhì)上是相互分離的，不能傳遞拉力、水平剪力與彎矩，僅能傳遞壓力。故本文所提防傾覆加固裝置的施工對原橋面無影響，不需對原橋面進行額外特別處理。新建樁基、新建承臺與新建橋墩組成的系統(tǒng)，需能承擔橋面不同方位承受較大偏心荷載而產(chǎn)生的豎直向下的下壓力或豎直向上的上拔力而不發(fā)生失效。即新建橋墩既能承載極端偏心荷載誘發(fā)的豎直向下的下壓力，也能承擔極端偏心荷載誘發(fā)的豎直向上的上拔力。

可見，本技術(shù)所提防傾覆加固裝置雖然僅設(shè)置在既有橋墩的一側(cè)，但其能對橋梁兩個方向的傾覆均具有阻止效果。其顯著特征是，偏心荷載作用在新建橋墩一側(cè)時，新建橋墩受到豎直向下的壓力；當偏心荷載作用在與新建橋墩相反的另一側(cè)時，新建橋墩受到豎直向上的上拔力，該上拔力是通過鋼梁的荷載傳遞實現(xiàn)的。

新建橋墩與原橋墩距離越大，對阻止橋梁傾覆越有利，且有利于減小新建橋墩的尺寸。

本文所提的加固裝置適用于原橋墩一側(cè)具備場地施工新建橋墩的情況。如原橋墩的一側(cè)是綠化場地或非交通通道，則可施工新建橋墩。如原橋墩兩側(cè)無空地、均為交通通道，則無法施工本文所提的加固裝置。可見，可根據(jù)高架橋的實際情況，選擇合適位置實施所提技術(shù)，通常也不是每個原橋墩都需進行加固。

2 結(jié)束語

本文提出了一種獨柱墩高架橋的防傾覆加固裝置，包括新建樁基、新建承臺、新建橋墩與鋼梁；新建承臺下方設(shè)置新建樁基，新建承臺上設(shè)置新建橋墩；新建橋墩的頂面與橋面的一側(cè)底面相互接觸；鋼梁與新建橋墩、原橋墩的頂部相連且呈水平狀分布；鋼梁在與新建橋墩相對稱的另一側(cè)端部設(shè)置支點，支點的頂面與橋面的另一側(cè)底面相互接觸。當設(shè)置新建橋墩一側(cè)的橋面具有傾覆趨勢時，新建橋墩與原橋墩共同支撐橋面且均受到豎直向下的壓力；當設(shè)置新建橋墩的另一側(cè)橋面具有傾覆趨勢時，鋼梁上的支點與原橋墩共同支撐橋面，原橋墩受到豎直向下的壓力，而新建橋墩受到豎直向上的拔力。本文所提的加固裝置對橋梁兩個方向的傾覆均具有阻止效果。