淺談獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆加固措施

張婭玲

(陜西高速公路工程咨詢(xún)有限公司，陜西 西安 710061)

0 引 言

獨(dú)柱墩作為一種常見(jiàn)的橋下結(jié)構(gòu)被經(jīng)常用于城市立交橋和高速匝道上，采取這種設(shè)計(jì)，主要在于它能夠有效減少占地面積，同時(shí)增加橋下視野和橋形體的美觀(guān)。在國(guó)外橋梁建設(shè)中，獨(dú)柱墩廣泛地作為橋梁下部稱(chēng)重結(jié)構(gòu)，因限載控制嚴(yán)格，鮮有整體傾覆的研究報(bào)道[1-6]，但是在我國(guó)，獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故卻時(shí)有發(fā)生，并且社會(huì)影響很大，比如浙江上虞立交橋倒塌事故、哈爾濱陽(yáng)明灘大橋垮塌、無(wú)錫312國(guó)道錫港路上跨橋側(cè)翻事故等，其主要誘因是嚴(yán)重超載[7-12]。對(duì)于偏載情況下，獨(dú)柱墩連續(xù)橋梁發(fā)生傾覆的研究還較少，相關(guān)計(jì)算理論、設(shè)計(jì)方法及規(guī)范還不夠成熟，因此總結(jié)一些獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆的加固措施，對(duì)于工程實(shí)踐具有參考意義[13-18]。以延西高速川口互通立交C匝道為列，對(duì)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆的加固措施做以簡(jiǎn)單介紹。

1 項(xiàng)目概況

川口立交C匝道橋位于延西高速川口互通立交，橋梁樁號(hào)CK0+062，橋梁全長(zhǎng)368.02 m。上部結(jié)構(gòu)采用(5×13)m+(7×19)m+(2×19+4×23+2×19)m鋼筋混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，共3聯(lián)20孔，下部結(jié)構(gòu)為單柱式墩，U型、柱式橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。該橋橋面寬7.5 m，設(shè)計(jì)荷載：汽車(chē)-超20級(jí)、掛車(chē)-120級(jí)，于2001年5月投入運(yùn)營(yíng)使用，已運(yùn)營(yíng)20年。川口C匝道位于曲線(xiàn)半徑分別為R1=41.279 m、R2=65.012 m、R3=98.368 m 的圓曲線(xiàn)和LS=35 m的緩和曲線(xiàn)上，最大縱坡3%，最大橫坡6%(單向)。

2 獨(dú)柱墩橋梁主要病害及原因

根據(jù)對(duì)川口立交C匝道的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該橋梁主要有以下幾種病害。

(1)上部箱梁爬移。全橋上部現(xiàn)澆箱梁共三聯(lián)，其中第一聯(lián)輕微縱向移動(dòng)，第二聯(lián)存在縱向及平面轉(zhuǎn)動(dòng)爬移，第三聯(lián)現(xiàn)澆箱梁存在整體向彎道外側(cè)方向及下坡向爬移現(xiàn)象；部分墩柱橫向豎直度存在偏差，最大約4.5 cm，伸縮縫存在明顯擠壓、拉開(kāi)、錯(cuò)位及錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。

(2)支座脫空、鋼板銹蝕。支座普遍存在鋼盆表面嚴(yán)重銹蝕及橡膠老化現(xiàn)象；支座上鋼板與下盆存在不同程度的橫橋向錯(cuò)位，并且20#墩頂右側(cè)支座完全脫空。

(3)混凝土耐久性病害。橋梁上部結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆箱梁兩側(cè)翼板邊緣處未設(shè)置滴水槽，雨水沿翼板、腹板長(zhǎng)期沖刷侵蝕梁體，誘發(fā)多處鋼筋銹脹。由于梁體爬移，橋臺(tái)及過(guò)渡墩上箱梁翼板部位發(fā)生抵死，造成箱梁翼板部位局部破損嚴(yán)重、蓋梁擋塊擠壓破損。

(4)獨(dú)柱墩抗傾覆驗(yàn)算不滿(mǎn)足規(guī)范要求。驗(yàn)算過(guò)程中，采用的荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，根據(jù)規(guī)范JTG 3362—2018相關(guān)規(guī)定，采用兩個(gè)階段進(jìn)行驗(yàn)算。第一階段驗(yàn)算作用基本組合下，支座如不出現(xiàn)反力，表示滿(mǎn)足抗傾覆要求；第二階段進(jìn)行特征狀態(tài)2時(shí)穩(wěn)定效應(yīng)與失穩(wěn)效應(yīng)的比值計(jì)算，檢驗(yàn)滿(mǎn)足規(guī)范要求與否。驗(yàn)算結(jié)果表明，川口C匝道第1-3聯(lián)均不滿(mǎn)足規(guī)范中抗傾覆驗(yàn)算的有關(guān)規(guī)定。

梁體爬移、墩柱傾斜、支座脫空的原因是相關(guān)聯(lián)的，造成這些病害的原因主要有以下幾方面。

(1)曲線(xiàn)橋本身受力特性的影響。橋梁位于圓曲線(xiàn)、緩和曲線(xiàn)上，曲線(xiàn)半徑為41～98 m，屬于典型的小半徑曲線(xiàn)橋，且橋梁縱坡、橫坡均較大，最大縱坡3%，最大橫坡6%(單向)，小半徑曲線(xiàn)再加上較大的橫坡、縱坡等因素導(dǎo)致橋梁空間效應(yīng)“彎扭耦合”作用明顯，造成內(nèi)外側(cè)支座受力不均勻，極易引發(fā)內(nèi)側(cè)支座脫空現(xiàn)象。

(2)長(zhǎng)期溫度作用。升降溫會(huì)引起梁體伸長(zhǎng)、縮短，但隨著支座橡膠老化，梁體收縮變形受限，導(dǎo)致向外爬移位移累計(jì)，無(wú)法恢復(fù)；支座的老化變形限制了梁體的自由活動(dòng)，梁體向外爬移帶動(dòng)橋墩偏移。

(3)支承體系的影響。該橋非連續(xù)端設(shè)置為雙支座，連續(xù)端設(shè)置為單支座，在在偏載情況下會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩，導(dǎo)致支座受力不均、內(nèi)側(cè)支座發(fā)生脫空現(xiàn)象，特別是比較長(zhǎng)的第3聯(lián)更容易發(fā)生受力不均、內(nèi)側(cè)支座脫空的現(xiàn)象；同時(shí)橋梁支座除固定支座之外都是雙向滑動(dòng)支座，減弱了對(duì)橋梁的橫向約束，故第2、3聯(lián)易發(fā)生橫向變形。

3 抗傾覆加固措施分析

考慮工程實(shí)際情況和以往工程實(shí)踐成果，通常有以下加固措施進(jìn)行獨(dú)柱墩抗傾覆加固處理：增設(shè)抗拔銷(xiāo)(拉桿)裝置；增設(shè)蓋梁；增設(shè)樁柱；增設(shè)樁、承臺(tái)及改花瓶墩；擴(kuò)大墩身；增設(shè)蓋梁及接長(zhǎng)橫梁。

以上六種加固措施，在日常實(shí)踐中，均能起到加固的效果，但是應(yīng)用的條件和造價(jià)卻各有區(qū)別，以本匝道加固為例，具體對(duì)比如表1所示。

表1 各加固措施優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

通過(guò)上述分析，結(jié)合本次匝道橋梁橋?qū)捿^小，且橋下多為互通綠化帶或非通航河道，凈空不受限制，綜合考慮造價(jià)、施工工期及驗(yàn)算是否滿(mǎn)足技術(shù)要求等因素，此次加固采用方案二增設(shè)蓋梁方案。

增設(shè)蓋梁方案，在以前的施工實(shí)踐中經(jīng)常采取植筋、澆筑混凝土的方式，也有采取鋼蓋梁的方式，考慮到本次施工周期短，此次施工中使用了增設(shè)鋼蓋梁的方式。為了進(jìn)一步節(jié)約成本，我們提出了兩種方案，并進(jìn)行了對(duì)比，具體如下。

(1)方案1：獨(dú)柱墩加設(shè)鋼支架+單支座，變?yōu)槿ёw系。在全橋獨(dú)柱墩上增設(shè)鋼支架，利用鋼支架及蓋梁頂升將墩臺(tái)支座全部更換；改變?nèi)珮虿糠侄罩误w系，在墩上利用鋼支架將單支座改三支座體系，在每聯(lián)聯(lián)端增設(shè)拉桿，1#～19#橋墩增設(shè)縱橫向限位裝置。鋼支架構(gòu)件采用Q355C工字鋼和槽鋼進(jìn)行拼裝，并采用植入支撐鋼棒固定在橋墩上。待梁體復(fù)位、頂升更換支座等施工完成后，在支架上兩邊設(shè)計(jì)位置增設(shè)橡膠支座。

(2)方案2：獨(dú)柱墩加設(shè)鋼蓋梁+單支座，變?yōu)槿ёw系。對(duì)第1～3聯(lián)獨(dú)柱墩墩頂外表面進(jìn)行植筋，并鉆預(yù)應(yīng)力穿束孔，在墩頂增設(shè)鋼蓋梁，進(jìn)行預(yù)力鋼束張拉，鋼蓋梁殼內(nèi)澆筑自流平混凝土。進(jìn)行混凝土養(yǎng)生，然后在新增的蓋梁上施做支座墊石，安裝兩邊支座，將原單支座改為三支座形式。

方案1采用型鋼等拼裝形成鋼支架，加工方便，施工周期短，造價(jià)較低，將單支座改為三支座體系，增加了梁底支撐，能夠有效控制梁體的橫向及扭轉(zhuǎn)變形。相對(duì)來(lái)講，方案2中鋼蓋梁加工復(fù)雜、大量植筋對(duì)橋墩損傷大、增加自重大，且需要混凝土養(yǎng)生及預(yù)應(yīng)力張拉工序，整個(gè)施工周期長(zhǎng)、造價(jià)相對(duì)較高。因此最后采用了方案1獨(dú)柱墩增設(shè)鋼支架+單支座改三支座體系。通過(guò)對(duì)加固后橋梁各聯(lián)進(jìn)行了抗傾覆驗(yàn)算，抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求，如表2所示(以第二聯(lián)為例)。

表2 抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果表

4 結(jié) 語(yǔ)

防止獨(dú)柱墩橋梁發(fā)生傾覆的最高效措施是嚴(yán)控行駛荷載，在進(jìn)行獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆加固處理時(shí)，應(yīng)綜合考慮各種影響元素，因地制宜，采用可行的方法，對(duì)于常用的六類(lèi)加固辦法經(jīng)實(shí)踐均是切實(shí)可行的。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，通過(guò)增設(shè)蓋梁的方式能有效保證獨(dú)柱墩的抗傾覆性，在實(shí)踐中利用鋼支架代替鋼蓋梁、混凝土蓋梁能達(dá)到相同的效果，且施工簡(jiǎn)單、周期短、成本低，在一些快速維修加固工程中，可以借鑒應(yīng)用。