獨柱墩橋梁抗傾覆及加固設計分析

摘 要：近年來橋梁建設中，獨柱墩橋梁因其占地小、橋下遮擋少等優點，受到了許多地區的青睞，但隨著時間的推移，獨柱墩橋梁橫向穩定性欠佳的弊端逐漸暴露出來，橋梁垮塌事故時有發生。本文簡單分析了獨柱墩橋梁傾覆的原因，并就如何進行加固設計展開了詳細的探討，以期為相關技術人員提供有益參考。

關鍵詞：獨柱墩橋梁;抗傾覆;加固設計

中圖分類號：U445.72 文獻標識碼：A

0 前言

受地形、交通、城市景觀等的影響，近十余年我國陸陸續續建設了大量的獨柱墩橋梁，這種橋梁不僅能優化城市低空間布局，還能美化橋梁外觀，在城市立交橋、高速互通匝道橋工程項目中應用尤為廣泛。然而，隨著經濟的發展，我國橋梁工程面臨的交通壓力與日俱增，因車輛超載、偏載而發生的獨柱墩橋梁傾覆事故時有發生，亟須我們去關注和解決。

1 獨柱墩橋梁病害原因分析

1.1 橋梁支座影響

支座脫空、支座剪切破壞是造成獨柱墩橋梁傾覆的常見原因之一，在高速公路互通匝道彎橋梁中尤其常見。在曲率的影響下，彎橋本身受力特性就十分獨特，即使橋面載荷對稱，彎橋也容易發生扭轉，再加上橋梁使用過程中外界溫度變化的影響，箱梁受到的扭矩是十分不均勻的，很容易發生外梁超載、內梁卸載的現象。此外，當彎橋中支座內外兩側受力不均，在恒載影響下，也容易產生負反力，偏心載荷長期作用易導致支座脫空，影響主梁結構。作為影響支座脫空的因素之一，支座間距調整的可操作性最強，可以在設計中予以考慮。

1.2 上部結構影響

獨柱墩橋梁抗傾覆能力和穩固性不僅與其下部結構息息相關，同時也與其上部結構有關，據相關研究，橋梁的橫向抗傾覆系數會隨著橋梁容量的增加而增大[1]，在其它條件不變的情況下，比起鋼箱梁或組合梁，鋼筋混凝土梁的容量更大，抗傾覆能力也相對更強。其次，在上下部結構的連接方式上，許多獨柱墩橋梁會選擇墩梁固結的方式，這種方式理論上可以緩解墩柱壓力，防止主梁變形，但使用過程中墩梁固結處卻有可能在長期偏心載荷的作用下發生開裂等病害，為主梁傾覆埋下隱患。

1.3 橋梁柱墩影響

多跨度柱墩大多采用的是連續箱梁結構，以連續單點支座為基礎的若干個獨柱墩，是整個橋梁的中心支點，當橋面車輛偏載情況發生時，這種扭矩力就會以支點為軸線作用在主梁上，而獨柱墩本身抗扭矩能力又極弱，在橫向彎矩和急劇增大的水平剪力[2]的共同作用下，柱墩實際負荷很容易超過其自身承載能力，從而發生主梁倒塌、傾覆的現象。值得注意的是，車輛超載、偏載在很多案例中都是誘發橋梁傾覆的直接因素，管理部門一定要引起高度重視，加大超載處罰力度，以免使獨柱墩橋梁長期處于超負荷狀態。

2 獨柱墩橋梁抗傾覆及加固設計

2.1 橋梁上部結構的優化設計

獨柱墩橋梁傾覆事故的發生不是一蹴而就的，而是在長期的、多方面不良因素的綜合影響下產生的，它的發展具有明顯的階段性，車輛偏載引起支座脫空是第一階段，橋梁上部結構在持續超載運作過程中引發結構失穩是第二階段，最終導致傾覆的發生，橋梁建設主管部門應當引起重視，及時發現橋梁傾覆趨勢，采用適宜的方案進行加固施工，避免傾覆事故的發生。橋梁上部結構在一定程度上影響著橋梁的橫向抗傾覆系數，在獨柱墩橋梁加固設計中，應當將上部結構容量提升納入思考方向。承建單位可以在橋梁底部增設鋼桁梁，利用錨栓將其與橫梁緊固在一起，直接對橫梁現澆混凝土進行植筋，以達到加寬加長橫梁的目的，從而使獨柱墩橋梁內外側支座受力趨于平衡，在此基礎上，還可以增設拉壓支座，以抵抗載荷作用下產生的扭矩力，緩解主梁壓力，提升獨柱墩結構的抗傾覆能力。這種方式操作簡便，也不會影響獨柱墩橋梁整體的美觀性能，實用性較強。

2.2 橋梁下部結構的加固設計

（1）增設抗拉裝置。在橋梁邊墩設置抗拉裝置，能夠有效避免橋梁結構因支座脫空而產生改變，常見的抗拉裝置有抗拉板、拉桿等，通過錨栓與原結構相連，從而提升橋梁橫向抗傾覆性能。在抗拉施工開始前，施工單位應當先對橋梁進行無損檢測，找準受力鋼筋的位置，在不損害原有結構的基礎上進行鋼板開孔，為確保構件強度，可以事先對其進行抗拉拔試驗。在施工過程中，要先細致清理構件表面，按照設計要求的直徑在鋼板上鉆孔，鉆孔深度略深于鋼筋埋設深度即可，盡可能保證孔道順直，鉆孔完成后，要注意用壓縮空氣對孔內進行清理，吹完灰后一般再用硬毛刷刷3次即可，要保證鉆孔內壁干燥無塵。其次，在鋼板安裝時，應當先將混凝土和鋼板表面均勻涂抹上粘鋼膠，厚度2 mm～3 mm即可，并按照預定空位安裝螺桿和螺母，使用扳手和長套筒對螺母進行錨固加壓，以確保其緊固性。要注意檢查鋼板與混凝土之間的黏性，如果發現縫隙，要及時進行補膠處理。膠體固化之前，施工人員可以用小錘敲擊測試，防止空鼓現象的發生。這種施工方式規模較小，構造簡單，操作便捷，施工過程中不會影響橋上的正常通行，也不會對橋體原本構造產生不利影響，但其抗拔力會受到構件尺寸的限制，實際抗拔效果一般。此外，還可以在橋梁上下部結構之間增設連接裝置來完成加固，獨柱墩橋梁上下部連接裝置可以利用自身的豎向承載力削弱持續載荷下支座的豎向返利，從而防止支座脫空，降低橋梁傾覆事故的發生機率。可以采用吊桿、錨具所組成的吊桿式連接結構，也可以是拉桿連接結構，它們的原始預應力可以轉化為獨柱墩橋梁支座的壓力儲備，與扭矩力相互抵消，防止支架脫空，結構改變。

（2）增設梁蓋。對于本身剛度較大的獨柱墩，可以采用增設梁蓋的施工方案進行加固，其設計思路是通過鉆孔和鋼構件預制加工來增設梁蓋，并在新增梁蓋上設置支座系統，這樣橋梁受到扭矩力時就可以由單點支撐轉為多點支撐，避免傾覆發生。橋梁加固用鋼結構在某些情況下會受到較大的集中應力，因此在工廠預加工階段一定要做好質量控制。首先是鋼材選擇，一般采用Q345C鋼板，要注意選擇手續齊備、業務正規的廠家，鋼材一定要有出廠質量證明。其次在鋼材焊接上，主要受力焊縫為一級焊縫，要經過嚴格的超聲波探傷抽檢，不應出現咬邊等缺陷;加勁肋焊縫則為二級焊縫[3]，要避免出現氣孔、夾渣等缺陷，除特殊標注外，應全部采用氣體保護焊或埋弧自動焊接。構件完成制作后運抵現場進行安裝，要注意合理控制安裝標高，切忌超高設計高程，安裝完成后，要在預留孔位植入高強螺栓并緊固。植筋時，先對鋼筋進行人工除銹，然后對孔內注入植筋膠，膠量大致為孔深的2/3，然后手握鋼筋緩緩插入，確保植筋膠與鋼筋充分接觸，待植入鋼筋達到固結要求后，就可以進行綁扎、焊接和養護了。此外，支座安裝也要遵循一定的工藝流程：第一步是安裝盆式支架上鋼板，在放樣鉆孔后對4個孔洞進行螺栓植埋，并適當上調平塊，可以采用結構膠平衡梁底結構，消除縱橫坡。第二步是安裝下鋼盆，要利用螺栓將整個支座釘死在梁底，為使支座更加牢固，還要用鋼筋網片對鋼盆和剪力釘之間的縫隙進行綁扎，并澆筑灌漿料。增設梁蓋的方式讓單支撐體系的獨柱墩橋梁轉變為了多支撐體系，抗傾覆效果較好，且不影響周圍交通，缺點是構件尺寸較大，構造較為復雜，還需要增設支座，經濟成本較高。

（3）增設樁柱。支座間距是影響獨柱墩橋梁穩定性的重要因素之一，在柱墩位置增設立柱，并在立柱頂上設置支座，可以使支座間距拉長，增強抗傾覆能力，材料可選擇混凝土柱、鋼柱等，要特別注意原橋梁結構與新增樁柱之間的連接問題。立柱施工應當嚴格按照圖紙進行，河中的立柱施工難度較大，應當先對水下淤泥情況進行排查，借助挖機清挖淤泥，為防止清除后淤泥二次回攏，可以適當擴大清除范圍。清淤工作完成后方可進行承臺頂面清理，可以利用水下鑿除工具對頂面立柱安裝位置進行整平作業。清除工作完成后，就可以將鋼柱或混凝土柱下放，下放過程中注意用千斤頂承托梁底，然后進行橫向連接，并安裝盆式支座。此外，鋼柱因此金屬性質較易受到外界環境的腐蝕和影響，如果施工方采用的是鋼材質立柱，還要注意做好防腐保護，在噴砂除銹后對所有板件噴涂車間底漆、環氧富鋅底漆、環氧云鐵漆等，在有水路段，鋼柱下部是直接插入水中的，因此防腐工作要在出廠前就準備完成。如果運輸過程中因為磕碰發生局部掉落，還應注意補涂。如果采用的是鋼筋混凝土立柱，則要注意控制好混凝土配比以及攪拌、振蕩工藝，確保混凝土不會因為收縮、徐變產生裂縫。通過增設立柱，單支承獨柱墩橋梁轉變為雙支承，抗傾覆能力提升較為顯著，可靠性極高，工藝流程簡單，質量也相對好控制。但應用于城市時，容易擠占橋梁下部空間，影響行車交通，因此施工前一定要綜合考慮現場地質情況、橋下孔家你等因素。

2.3 中墩支撐偏心距調整設計

除載荷壓力、支座間距等因素外，橋墩偏心距也在一定程度上影響著橋梁的抗傾覆性能，據相關研究顯示，橋梁的橫向抗傾覆系數會隨著獨柱墩曲線外側與偏心的增大而提升。在外側弧線長于內側弧線的曲線橋梁中，這種規律表現更為明顯，由于重心不在中心線處，橋梁必然會在長期的行車載荷作用下產生彎-扭耦合作用，并引發支座內外側受力不均的問題，最終導致傾覆事故發生。在獨柱墩曲線梁橋中合理設置偏心距，就相當于往中心支點施加了一個集中扭矩力，有利于促進扭矩的均勻分布，緩解支點截面的扭矩，從而改善支座受力情況，提升獨柱墩橋梁的橫向穩定性。

3 結論

在獨柱墩橋梁中，橋梁曲線半徑、支座間距、上部結構恒載等都會影響橋梁橫向抗傾覆性能，因此在施工中，要盡量選擇多支座墩型，并適當拉大支座間距，合理設置中墩支撐偏心距，結合實際情況對增設梁蓋、增加墩柱、增設抗拉裝置等方案進行選用。同時，作為主要的橋梁傾覆原因，車輛超載、偏載現象在我國屢禁不止，相關部門也要加大查處力度，以減少獨柱墩橋梁傾覆事故的發生。

參考文獻：

[1]林孔斌.獨柱墩橋梁抗傾覆因素研究[J].福建交通科技，2020（4）：135-138.

[2]陳園園.淺談獨柱墩橋梁橫向抗傾覆加固措施[J].建材與裝飾，2018（30）：285-286.

[3]李維俊，王榃.獨柱墩抗傾覆加固設計及應用的探討[J].四川水泥，2021（4）：327-328.

作者簡介：簡建軍（1985-），男，湖北黃岡人，本科，工程師，從事橋梁設計工作。