獨柱墩曲線橋鋼蓋梁加固方案設計

王文彪，韓 鵬，李 攀

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引 言

我國大型城市立交曲線橋梁的下部結構較多采用了獨柱墩結構，該形式具有減少占地、增加視野和橋梁美觀的優點。但近年來，獨柱墩支座累積損傷、脫空、滑移導致獨柱墩橋梁傾覆事件屢次發生。

獨柱墩曲線橋梁的總體受力特征有以下幾點：（1）梁體在承受極端荷載時，不利支座可能會出現負反力、支座脫空現象，進而大大增加梁體整體滑移、傾覆、失穩的可能。（2）獨柱墩受到偏心荷載作用，存在偏壓破壞的可能，且橫向約束梁體的墩柱受梁體反作用力有可能造成其底部的壓彎破壞。（3）上部梁體橫向整體剛性傾斜或者傾覆落梁。（4）偏心超載作用下，橋梁上部結構梁體將承受很大的扭矩作用，橋梁很容易發生剪扭破壞[1，2]。

而國內目前普遍存在超載現象，在極端偏心超載作用下，橋梁上部結構梁體的質心由兩支座之間向支座一側移動，當車輛超載到一定程度，質心轉移到支座外側，極易導致梁體整體傾覆。而《公路橋涵設計通用規范》[3]和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[4]中均只有禁止支座脫空的描述。現有公路規范， 對橋梁抗傾覆穩定性的計算要求與安全余地等未作明確規定。

另外，獨柱墩曲線橋總是處于彎扭耦合的受力狀態下，而單點支撐方式不能有效的抵抗上部結構的扭矩，需設置雙支座來支撐。而連續梁的兩端支承處容易產生較大扭矩，若兩端支座不抗扭或抗扭不足，將會導致支座脫空。進而主梁廣義質心偏移，原來的雙支座支撐又變成了單支座支撐。此時，剩余支撐支座或者反力迅速增大，加速支座破壞；或者支座轉角增大，引起梁體滑移[5，6]。

針對獨柱墩曲線橋梁可能存在的安全隱患，需要對傾覆能力不足的獨柱墩應進行加固設計，確保橋梁結構安全。

1 工程概況

某曲線連續箱梁橋，跨徑為18.2 m+21.0 m+21.0 m+21.0 m+18.0 m；在過渡墩處設置伸縮縫，除過渡墩為雙柱式橋墩外，其它均為獨柱式單支座橋墩。采用盆式橡膠支座，橋面鋪裝為60 mm 鋼筋混凝土+1 mm防水層+60 mm 瀝青混凝土；設計荷載為汽車—超20級，驗算荷載取掛車—120 級。采用MIDAS 建立該曲線梁橋的三維分析模型，見圖1。

圖1 曲線梁橋三維整體模型

對橋梁整體情況進行靜力荷載分析，并對不同的汽車驗算荷載進行計算對比[7-9]：（1）I 級車道荷載（考慮沖擊）、（2）1.3 倍公路 -I 級車道荷載（考慮沖擊）、（3）1.2 倍汽車超20 級車輛荷載（考慮沖擊）。

經計算分析得，在（2）和（3）汽車荷載作用下端支座很可能脫空，過渡墩處由雙支座變成偏心單支座，反力增大，存在失效風險，需對該曲線橋進行加固。

2 總體加固方案

獨柱墩常用加固方案包括增設鋼管柱、增設拉桿以及增設鋼蓋梁和支座方案[10]?？紤]橋梁所處路段交通流量較大，在技術可行、安全可靠的前提下，應力求施工方便快捷，盡量不中斷交通。本工程采用模塊化鋼蓋梁加可調高度雙支座方案[11]，見圖2，實現獨柱墩輔助支撐，加強防側滑、抗傾覆安全度。恒載作用下，現有支座仍起主要承載作用；新增設的左右雙支座在恒載作用下確保與結構貼合，較大偏心荷載作用下，新增設的左右雙支座開始工作，將單點支撐調整為橫向三點支撐，提高橋梁的抗傾覆能力。

圖2 鋼蓋梁總體加固方案

增設鋼蓋梁結構相對于混凝土蓋梁造型簡潔、自重輕，對原獨柱墩結構及基礎增加的額外恒載較?。磺忆摻Y構可工廠預制，施工簡易、周期短，方便后期養護，具有可推廣性。

對增加鋼蓋梁和雙支座的獨柱墩橋梁整體進行幾種汽車荷載工況下復核計算，標準荷載工況下支座均未出現負反力，不會發生脫空，且整體傾覆系數滿足規范要求，橋梁抗傾覆穩定性得到大幅提升。

同時，為實時了解加固后橋梁的整體安全運行狀況，設計了一套獨柱墩安全運行監測物聯網系統。以現代傳感技術和物聯網技術，實時監控了解橋梁和支座等設施的結構狀態、運維環境、運行荷載等數據資源，構建智慧化綜合管理和服務平臺，推進城市基礎設施運維安全管理的信息化、智慧化提升。通過現代化的技術手段使傳統的市政設施變得可感知和智慧，實現道路、橋梁和城市服務機構之間數據的共享和溝通。

3 鋼蓋梁設計

本工程通過在原獨柱墩上設置鋼結構蓋梁，鋼蓋梁通過鋼板圈抱箍力與部分植入錨筋與墩柱連接為一體；新增設支座通過鍥塊實現高度調整，方便既有橋梁不同高度處的安裝實施。鋼結構蓋梁采用Q345d 鋼材，鋼結構分為左右兩片在工廠進行標準化預制加工，然后運抵施工現場后進行拼裝，最終形成各獨柱墩三點支撐。鋼蓋梁結構構造見圖3。

圖3 鋼蓋梁構件設計（單位：mm）

采用高強螺栓將抱箍與原墩柱錨在一起，抱箍上的錨栓為8.8 級M30 高強螺栓，而抱箍兩側采用10.9 級M30 高強螺栓擰緊，連為一體。原墩柱混凝土為C40。

3.1 鋼蓋梁強度驗算

各鋼板厚度均取為16 mm 以下，根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[12]，Q345 鋼抗拉和抗彎強度設計值為310 N/mm2，抗剪強度設計值為180 N/mm2，驗算各鋼板強度能力。初步選取鋼蓋梁加勁肋間距S=300 mm，其整體強度應力云圖見圖4。

圖4 鋼蓋梁整體應力云圖（單位：MP a）

從云圖可知，局部應力集中，強度富余量不足。因而對比分析加勁肋間距S 對驗算結果的影響，見表1。

表1 各鋼構件應力對比表 單位：MP a

分析可知，同等鋼板結構尺寸下，加勁肋間距對頂板應力影響較大，對腹板和加勁板應力影響較小。加勁肋間距S=250 mm 時各構件強度能滿足規范要求，結果見圖5。對鋼蓋梁進行精細化建模和應力云圖分析，為鋼蓋梁監測系統傳感器布設和監測預警數值提供了很好的理論基礎和支撐。

3.2 錨栓驗算

根據《混凝土結構加固設計規范》GB 50367[13]—2013 和《混凝土結構后錨固技術規程》JGJ 145—2013[14]對螺栓整體加固進行設計驗算。結構會受到彎矩和剪力的復合作用，其主要驗算要求包括：

拉剪復合受力下錨栓鋼材破壞承載力驗算公式：

拉剪復合受力下混凝土破壞承載力驗算公式：

根據錨栓布設要求，豎向間距確定為300 mm 均布5 排，每排沿環向均布7 根，對比分析抱箍環形鋼板在不同寬度下的驗算結果，見表2 和表3。

表2 錨栓鋼材破壞承載力驗算表 單位：kN

表3 混凝土破壞承載力驗算表 單位：kN

根據驗算結果，抱箍環形鋼板寬度為1.5 m 時，混凝土破壞承載力不足；抱箍環形鋼板寬度為1.7 m時，各項驗算結果均通過要求，對錨栓布置設計見圖6。

圖5 鋼蓋梁各構件應力圖（單位：MP a）

4 結 語

本文對某獨柱墩曲線橋梁的鋼蓋梁加固方案進行了設計驗算，并得到結論。

（1）針對該獨柱墩橋梁存在傾覆風險的實際需求和現場實施條件，推薦采用在獨柱墩上抱箍鋼蓋梁和增設2 個支座的加固方案，施工快捷方便，可極大的增加橋梁的抗傾覆能力；

（2）建立鋼蓋梁ANSYS 三維模型，對比分析不同加勁肋間距對鋼構件應力的影響，通過優化設計，確定了合理的鋼構件布設尺寸，驗算結果滿足規范要求，且可根據構件應力云圖為獨柱墩物聯網監測系統提供技術指導和報警等級劃分指標；

圖6 螺栓展開布置設計圖（單位：mm）

（3）采用抱箍和錨栓的方式將鋼蓋梁錨固于獨柱墩上，根據規范對錨栓鋼材和墩柱混凝土承載力進行對比驗算，確定了合理的抱箍環形鋼板寬度，其驗算結果滿足規范要求；

（4）隨著國內對于獨柱墩橋梁抗傾覆性能的注重，越來越多的獨柱墩橋梁需要進行加固設計，本工程案例可為獨柱墩曲線橋梁采用鋼蓋梁加固方案提供技術參考和設計驗算案例。