獨柱墩橋梁橫向抗傾覆研究

李懷明

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

一段時期以來，由于橋下視野通透性好、橋梁外形輕巧美觀、經濟節約的優點，獨柱墩成為了城市高架橋、互通匝道橋以及跨線橋下部構造的主要型式。近些年來，在多列超載車輛偏載行駛時，部分獨柱墩橋梁在毫無征兆的情況下，橋梁上部發生整體橫向失穩，造成了嚴重的人員傷亡及經濟損失。依據現行規范對獨柱墩橫向穩定性驗算的具體規定，計算分析了兩座典型獨柱墩現澆箱梁橋，提出穩定性驗算思路，并對存在安全隱患的結構提出針對性的應對措施，使其滿足規范規定。希望能夠對橫向穩定性較差的獨柱墩橋梁結構加固及設計提供可靠建議。

1 工程概況

梳理了近期已建公路橋梁結構形式，計算分析了兩座典型獨柱墩橋梁。

案例1 為某互通匝道橋，橋寬7.75m。第一聯橋平面位于直線段上，左右幅跨徑布置均為5×20m。

0# 橋臺處設置兩根D120cm 圓形立柱，中心間距314cm，如圖1C-C 斷面。橋墩方面，1#～4#橋墩處均設置一根D120cm 圓形立柱，如圖1A-A 斷面；5#橋墩處均設置兩根D100cm 圓形立柱，中心間距314cm，如圖1B-B斷面。

案例2 為某主線跨線橋，橋面寬度為12m，結構布跨為（30+40+30+25）m。

圖1

圖2

0#和4#橋臺處設置兩根D150cm 圓形立柱，橫向中心間距550cm，縱向中心距離為450cm，如圖2C-C 斷面。橋墩方面，1#橋墩設置一根D200cm 圓形立柱，如圖2AA 斷面；2#～3#橋墩處均設置兩根D160cm 圓形立柱，中心間距550cm，如圖2B-B 斷面。

表1 標準荷載驗算表

表2 考慮特殊荷載驗算表

2 橫向抗傾覆驗算內容

（1）按現行規范規定的荷載標準、穩定性驗算相關條文規定進行驗算，結構必須滿足相關規范要求。

a.穩定系數是否小于2.5；b.支反力是否出現拉力。

備注：應考慮溫度、支座沉降等因素影響；綜合考慮該簡化分析方法的偏差系數和實際車輛密集排布情況下汽車荷載效應的放大系數，確定橫向抗傾覆穩定性系數為2.50，而并不代表車輛可以超載2.5 倍標準車輛。

（2）考慮到非高速公路交通量大、重車比例大、超載嚴重的因素，建議按照極端條件進行布載后，控制橋梁的支座壓力、抗傾覆安全系數、支座轉角及固結橋墩受力驗算（特殊荷載驗算）。

a.在作用基本組合下，非受拉支座應始終保持受壓狀態。當車道荷載分項系數采用3.4 時（下同），非受拉支座宜始終為受壓狀態；b.當只采用非受拉支座時，抗傾覆穩定性系數應不小于5；c.在作用基本組合下，支座轉角應小于0.02rad。

3 驗算結果及原因分析

3.1 驗算結果

按規范荷載驗算，案例1 橋梁結果見表1。

按特殊荷載標準驗算，案例1 橋梁結果見表2。

按規范荷載驗算，案例2 橋梁結果見表3。

按特殊荷載標準驗算，案例2 橋梁結果見表4。

（1）按規范荷載驗算結果如下所示：

a.特征狀態1 驗算中，案例1 橋梁0#墩和5# 墩支座出現拉力，不滿足規范；案例2 橋梁沒有支座出現拉力，滿足規范。b.特征狀態2 驗算中，案例1 橋梁穩定系數為1.36，不滿足規范要求；案例2 橋梁穩定系數大于2.5，滿足規范。

（2）按特殊荷載驗算結果如下所示：

a.特征狀態1 驗算中，案例1 橋梁0#墩和5#墩支座出現拉力，不滿足規范；案例2 橋梁0#墩出現拉力，不滿足規范。b.特征狀態2 驗算中，案例1 橋梁穩定系數小于5，不滿足規范；案例2 橋梁穩定系數大于5，滿足規范。

表3 標準荷載驗算表

表4 考慮特殊荷載驗算表

3.2 原因分析

（1）案例1 橋梁上部為現澆箱梁，過渡墩為雙柱墩雙支座，支座間距為3.14m，連續墩均為單支座獨柱墩。在抗傾覆計算中，僅邊墩支座能夠提供扭矩，故邊支座較易出現拉力、抗傾覆系數較小，按規范標準驗算下，抗傾覆計算不滿足規范要求。（2）案例2 橋梁上部為現澆箱梁，僅1 號橋墩為獨柱墩，其他橋墩均為雙支座雙柱墩，支座間距為5.5m。在計算中，僅1 號橋墩無法提供抗傾覆扭矩，其他橋墩支座均為抗扭支座，橋墩支座相對不易出現拉力且橋梁抗傾覆系數相對較大，故按規范荷載要求驗算下，抗傾覆計算能滿足規范要求，但是靠近獨柱墩位置支座壓力及穩定性系數較小。由于橋臺支座恒載作用下支座反力較小，在特殊荷載作用下，橋臺支座出現了拉力，不滿足特殊荷載狀態1 要求。

4 建議

對不滿足現行規范橋梁傾覆穩定性系數的獨柱墩橋梁，結合既有橋梁下部結構方案，建議采用以下幾種方法：

（1）方案1：穩定系數不滿足要求的結構基本采用雙樁+承臺的獨柱墩結構，可在承臺上植筋，橋墩兩側設置鋼管混凝土對箱梁進行支撐，將獨柱墩調整為3 柱墩，正常使用時獨柱墩承受荷載，發生可能引起傾覆的荷載時鋼管混凝土墩柱參與受力，避免橋梁發生傾覆。

圖3 增設鋼管混凝土墩柱（方案1）

圖4 增設蓋梁（方案2）

該方案優點是施工便捷，造價經濟；結合原設計獨柱墩頂箱梁配筋模式情況下，該方式對上部結構受力影響小。缺點是橋梁景觀較差。

（2）方案2：將獨柱墩改為獨柱加蓋梁形式，蓋梁上布設兩個防傾覆支座，正常使用時獨柱墩承受荷載，發生可能引起傾覆的荷載時鋼蓋梁支座對箱梁進行支撐。但應對此類獨柱橋墩進行驗算。

該方案優點是橋下景觀較好，結合上部箱梁橫梁配筋形式，未改變墩柱墩頂受力性能。缺點是施工較復雜。

（3）方案3：在橋墩外側植筋改造為矩形墩。

圖5 外側包裹鋼筋混凝土（方案3）

該方案優點是建成后基本看不出橋梁有改造的痕跡。缺點是施工復雜，造價較高。

獨柱墩加固措施選擇宜綜合考慮凈空、施工條件等因素限制，選用可行方案。

5 結論

（1）通過計算分析可得，規范中計算的失穩作用效應并非活載作用下的最不利效應，僅是某支座產生最大拉力時其他支座產生的并發支反力，故規范規定的穩定性系數2.5 并不意味著車輛可以超載2.5 倍，僅為該簡化分析方法的偏差系數和實際車輛密集排布情況下汽車效應的放大系數的綜合系數，故建議存在車流量大、超載嚴重的公路獨柱墩橋梁增加特殊荷載驗算。

（2）獨柱墩為次邊墩時，橋臺及過渡墩支座容易出現拉力且抗傾覆穩定性系數較小，設計中應適當加大邊跨跨徑及支座間距，防止支座脫空，使其滿足規范要求。

（3）墩梁固結獨柱墩橋梁傾覆問題實質為橋墩承載力強度不足問題，不屬于抗傾覆穩定性問題，但該類橋梁應對橋墩進行驗算。

（4）上部結構為預制結構，下部采用獨柱墩大懸臂蓋梁橋墩，該類橋梁傾覆的本質也是橋墩及蓋梁強度不足問題，應對橋墩、蓋梁進行驗算。

（5）支座間距較小的雙支座獨柱墩及雙支座雙柱墩同樣存在傾覆穩定性問題，橋梁設計時應注意盡可能加大支座間距，原則上支座間距不小于橋面寬度的1/4。

（6）老規范標準設計下的既有橋梁雖對橫向穩定沒有相關要求，設置多個連續獨柱墩的橋梁建議按照新規范規定傾覆驗算辦法進行核算，對不滿足橫向穩定要求的橋梁應采取加固處置措施。

（7）通過本文兩個墩柱墩橋梁驗算結果及原因分析，結合已發生傾覆橋梁的案例，可知存在傾覆穩定性問題的橋梁為設置連續多個單支座獨柱墩橋梁，經結構傾覆驗算滿足規范且有一定富裕情況下，不應完全舍棄獨柱墩構造，合理選擇下部結構。