考慮單雙支座的公路橋梁抗傾覆設計與加固改造措施研究

農尚武，蔣美軍

(1.廣西壯族自治區田陽公路養護中心，廣西 百色 533600；2.廣西壯族自治區道路運輸發展中心，廣西 南寧 530012)

0 引言

目前，國內建成有大量獨柱墩橋梁，主要是因為獨柱墩具有適應性強、占地面積少、結構輕便等特點。獨柱墩在城市立交及互通匝道區內使用較多，上部結構一般采用鋼筋混凝土預應力連續梁結構或者普通鋼筋混凝土連續梁結構，其在整體性能方面相較于簡支梁結構更優，可以實現的跨度更大。隨著大量獨柱墩結構的投入使用，在運營期內，獨柱墩橋梁相繼出現了很多問題，如橋梁傾覆、滑移以及支座脫落等現象。這些問題都直接影響到橋梁的整體安全，特別是橋梁發生傾覆事件后，對我國經濟發展和人民生命財產安全造成不良的影響。

本文首先對我國在役橋梁傾覆事故進行了分析，同時根據實例列舉了公路雙支座和單支座橋梁的抗傾覆能力，詳述了公路橋梁在設計之初需要注意的問題。同時，本文也為防止已建成的獨柱墩橋梁發生傾覆，提出了加固措施建議，為后續研究公路橋梁的抗傾覆設計提供參考。

1 近些年在役橋梁傾覆事故分析

近年來在天津、杭州、哈爾濱和無錫等地多座獨柱墩橋梁發生了傾覆事件，而傾覆的橋梁在落梁后梁體基本還是完整的，主要原因還是因為機動車超載作用下發生的橫向傾覆破壞。表1所示為近年部分典型在役橋梁傾覆事故一覽表。

從表1所羅列的橋梁傾覆事件綜合來看，我國目前橋梁傾覆暴露出的問題主要有兩方面：(1)很多獨柱墩在設計時都是沿用以往的設計經驗，而沒有對獨柱墩橋梁抗傾覆性能進行驗算；(2)運營單位沒有及時對獨柱墩橋梁進行檢測、維修和更換支座，導致支座年久失修損壞，造成梁體滑落[1]。

表1 近年部分典型在役橋梁傾覆事故一覽表

2 公路橋梁的抗傾覆設計

2.1 橋梁概況

本文選取的橋梁位于廣西某高速公路路段互通式立交中，橋梁跨徑為(3×30) m，全長為97 m。本橋上部結構為現澆預應力混凝土連續箱梁，全橋橋墩均采用柱式墩，鉆孔灌注樁基礎。本橋平面位于R=260 m圓曲線及A=260 m的緩和曲線上，縱斷面縱坡為2.205%，墩臺徑向布置。

2.2 支承間距的確定

本文將3#墩設置為對比支座，分別為雙支座支承(支座間距為6.75 m)和獨柱墩支承，其余墩臺支座間距均相同。將3#墩作為橋梁抗傾覆不同支座間距的研究對象，橋梁斷面對比圖和支座布置對比圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 橋梁斷面對比圖(cm)

圖2 支座布置對比圖

2.3 計算參數

2.3.1 技術標準

汽車荷載：公路-Ⅰ級。

橋梁寬度：(0.5+凈11.75+0.5+0.25)×2 m

橋面橫坡：單向坡5%～1.71%

其他指標按《公路工程技術標準》(JTG B01-2014)的規定執行。

2.3.2 主要材料

混凝土：現澆箱梁采用C50混凝土，橋面鋪裝上層為6 cm瀝青混凝土，下層為12 cm C40防水混凝土。砂、石骨料宜就地取材，但應經過試驗，并符合《公路橋涵施工技術規范》有關條款要求。

預應力鋼材：采用由省部級鑒定的專業廠家生產，符合標準的高強度、低松弛(初始荷載為70%，持續1 000 h的松弛值≤2.5%)270級φs15.2 mm鋼鉸線。標準強度Ryb≥1 860 MPa，單根面積A=139 mm2。

2.3.3 橋梁荷載

(1)一期恒載：混凝土容重取26 kN/m3；

(2)二期恒載：橋面鋪裝為6 cm厚瀝青混凝土+12 cm厚C40混凝土，按照均布荷載施加，荷載取值為50.8 kN/m，每一道護欄荷載取值為10.1 kN/m；

(3)橫隔板荷載：橫隔板荷載采用梁單元荷載模擬，取126.2 kN/m；

(4)預應力荷載：預應力采用兩端張拉，控制應力為1 357.8 MPa；

(5)整體溫度：整體升溫取25 ℃，整體降溫取-23 ℃；

(6)溫度梯度：按照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)計算取用；

(7)支座沉降：按沉降5 mm考慮；

(8)移動荷載：公路-Ⅰ級；

(9)沖擊系數：按照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)計算取用，車道加載考慮汽車偏載效應，按照規范橫橋向加載三個車道進行計算，布置如圖3所示。

圖3 車道布置圖(m)

2.4 建立全橋空間有限元模型

上部結構采用Midas Civil 2019軟件模擬，恒載考慮自重荷載、二期鋪裝、防撞護欄、橫隔板荷載、基礎變位以及預應力荷載，活載為移動荷載、溫度梯度和整體升降溫，作用荷載組合由程序自動組合，支座采用一般支撐模擬，建立全橋空間模型，如圖4、圖5所示。

圖4 3#墩雙支座計算模型圖

圖5 3#墩單支座計算模型圖

2.5 計算結果

2.5.1 3#墩布置雙支座

(1)支座脫空驗算(見表2)

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表2 3#墩雙支座脫空驗算表

由表2可知，支座4-1的支座反力值最不利，為1 513 kN，處于受壓狀態，因此在基本荷載作用下，支座始終保持受壓狀態，符合規范要求。

(2)抗傾覆穩定系數計算(見表3)

由表3可知，支座4-1位置的穩定系數最小為14.3，大于kqf=2.5，符合規范要求，因此結構不存在傾覆的風險。

表3 3#墩雙支座穩定系數驗算表

2.5.2 3#墩布置單支座

(1)支座脫空驗算(見表4)

由表4可知，支座4-1的支座反力值最不利，為1 156 kN，處于受壓狀態，因此在基本荷載作用下，三個受壓支座始終保持受壓狀態，符合規范要求。

表4 3#墩單支座脫空驗算表

(2)抗傾覆穩定系數計算(見表5)

表5 3#墩單支座穩定系數驗算表

由表5可知，支座2-1位置的穩定系數最小，為5.9，大于kqf=2.5，符合規范要求。

從表3和表5中可以看出，3#墩雙支座條件下全橋穩定系數最小為14.3，3#墩單支座的條件下，全橋穩定系數最小為5.9。由此表明：公路橋梁在同等平曲線半徑下，雙支座安全條件更優于單支座，在設計過程中應在條件允許的情況下優先考慮設置雙支座[2]。

3 公路獨柱墩橋梁鋼結構支撐加固改造施工方法

3.1 獨柱墩加混凝土蓋梁改單支座為雙支座

為了提高獨柱墩抗傾覆能力，首先考慮增加獨柱墩的橫向抗傾覆能力，最有效、最直接的方法就是將單支座改為雙支座，這樣另外一個支座就可以分擔一部分上部傳遞下來的荷載，提高支座的使用年限，也能有效削弱上部荷載引起的偏心力。

公路獨柱墩橋梁將單支座改為雙支座還能提高橋梁的抗傾覆能力，該加固方法的示意圖如圖6所示。該方法是在原有的墩柱上新增一個鋼筋混凝土蓋梁，將原有的支座拆除，在箱梁兩腹板位置分別設置一個支座，能夠起到很好的荷載傳遞作用，同時還能承擔一部分的荷載。

圖6 獨柱墩加固示意圖(cm)

3.2 增設鋼支撐

在對已建成的獨柱墩橋梁加固的過程中，可以考慮通過增加鋼支撐的方式來提高獨柱墩的抗傾覆能力。該方式主要是將鋼支撐根部的鋼筋植入到橋墩內，使鋼支撐和橋墩連接成一個整體，以提高橋墩頂和梁底的接觸面積，從而提高梁體的抗傾覆能力。獨柱梁橋增設鋼支撐結構如圖7所示。增加鋼支撐主要適用于公路橋梁橋墩無法增加混凝土蓋梁，且橋墩墩高較高的情況。通過對墩柱增加鋼支撐，可以加強主梁和墩柱的連接性能，提高支座的使用年限，從而使上部結構抗傾覆能力增強[3]。

圖7 獨柱墩增設鋼支撐示意圖(cm)

4 結語

本文從近些年在役橋梁傾覆事故出發，分析了橋梁傾覆的主要原因，并結合廣西某高速公路項目實例，分析了支座布置方式對橋梁設計過程中的抗傾覆性能的影響，以及對現已建成獨柱墩橋梁提出加固措施建議，得到結論如下：

(1)公路橋梁在同等平曲線半徑下，雙支座安全條件更優于單支座，在設計過程中應在條件允許的情況下優先考慮設置雙支座[4]。

(2)已建成的獨柱墩橋梁，應按照新版規范進行抗傾覆驗算，對不滿足要求的應采用增加蓋梁或增設鋼支撐的加固方式進行處理。