鋼蓋梁加固獨柱墩橋梁抗傾覆性能研究

張漁

（西安路德工程勘察設計咨詢有限公司，陜西 西安 710075）

0 引言

獨柱墩橋具有開闊的視野，可有效減少因視覺不暢所導致的交通事故；橋墩線形造型優美，與周圍道路線形及景觀相協調，具有獨特的美感；其工程量小，占地少、造價低、對周圍建筑物影響小等特點，使得獨柱墩在相當一段時期內具有較大的優勢［1-3］。

隨著交通運輸的日益繁忙，獨柱墩支撐的橋梁存在的安全隱患逐漸凸顯出來。在連續較大交通荷載偏心作用和獨柱墩橋偏心的情況下，橋臺支座可能會脫空；隨著荷載的繼續增大，橋梁支座處的承載體系發生轉變，伴隨著單邊支座的變形增大超過限制，橋梁上部箱梁隨之發生傾覆［4］。過去一段時間，我國獨柱墩橋梁傾覆事件時有發生，表1 中所列為2000 年以后所發生的獨柱墩橋梁傾覆事件，均造成了較大的經濟損失［5］。

表1 獨柱墩橋梁傾覆事件

截至目前，大多數的獨柱墩橋梁上部結構發生傾覆，主要是由連續較大交通荷載偏載造成的。在此之前，國內的橋梁研究重點主要在于縱橋向的受力和變形，較少關注橫橋向的變形和穩定性。數起獨柱墩橋梁上部結構傾覆事件使得獨柱墩橋梁抗傾覆研究逐漸成為熱點，橋梁抗傾覆理論也隨之被提出。

1 抗傾覆理論

現行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）［6］指出：持久狀況下橋梁上部結構不應出現體系轉變，橋梁支座不應脫空；上部結構應滿足抗傾覆穩定性的要求，如式（1）所示。

2 橋梁抗傾覆加固方法

獨柱墩橋梁加固可通過加強獨柱墩橋的下部結構、增加側向支撐點的數量，提升獨柱墩橋的抗傾覆的整體穩定性。具體加固實施方式有以下3種。一是改造為圓端支撐為墻墩支撐，通過增大截面，形成圓端壁墩，并在墩頂構造兩個橡膠支座。二是改造為三柱墩。其特點是在原橋墩的兩側各增加一個柱墩，并通過聯系梁構造成為整體，由單點支撐變為三點支撐。三是獨柱墩頂加擴。對原獨柱墩頂部改造，采用懸臂或托板增加墩體的橫向長度，托板頂部構造橡膠支座，該單點軸力為多點受力［7］。前兩種方法工程造價高，施工周期長。而第三種方法則具有施工速度快、造價合理等優點，在越來越多的獨柱墩改造工程中得到應用。其中獨柱墩頂加擴法以墩頂鋼蓋梁加固法應用較為廣泛。

獨柱墩頂部增設鋼蓋梁，并在鋼蓋梁上新增支座，改變橫橋向單點支座支承，為多點支座支承，既增加上部結構的抗傾覆力矩，也可以避免支座脫空情況，進而提高獨柱墩梁橋的整體抗傾覆穩定性。

3 鋼蓋梁加固主要施工步驟

①測量橋墩箱梁底縱、橫坡度、各部位高程、平面尺寸等基礎數據。

②復測橋墩形狀和尺寸，并按照設計文件加工鋼蓋梁。

③墩頂加固范圍鑿毛并鉆孔植筋，同時觀測墩柱、支撐系統受力和變形。

④現場定位安裝鋼蓋梁。

⑤待膠體固結并達到設計強度后，將各螺栓螺母擰緊，最后焊接封閉鋼板。

⑥澆筑鋼蓋梁內混凝土，壓漿密實。

⑦待灌注混凝土達到設計強度后，安裝支座。

鋼蓋梁構造圖具體如圖1所示。

圖1 鋼蓋梁構造圖

4 工程分析

本項目以浙江省內金麗溫高速公路、龍麗高速公路共計約400 km 高速公路沿線橋梁作為研究對象，分析所有獨柱墩橋梁的抗傾覆性能，共涉及橋梁61座，共計橋梁61聯，下部主要為邊長130 cm的帶圓角方柱墩和直徑130～200 cm 的圓柱墩。經驗算，不滿足抗傾覆要求的橋梁有30 聯，其中14座不滿足第1 特征狀態，27 座不滿足第2 特征狀態，具體如表2 所示。因而，須對不滿足抗傾覆要求的獨柱墩橋梁進行抗傾覆加固，使之滿足規范法的要求。

表2 獨柱墩抗傾覆驗算

采用有限元分析軟件MIDAS 2020，主梁按照單梁模型進行模擬，不考慮箱梁橫坡，支座與主梁之間剛性連接，邊界條件同實際支座滑動方向。模型如圖2 所示。所用的荷載為：自重系數取-1.04，以集中力等代橫隔板、中橫梁、端橫梁并施加到模型上；按照實際情況施加二期恒載，瀝青鋪裝容重24 kN/m3，混凝土護欄12.2 kN/m；按整體升降20 ℃考慮，梯度溫度按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）［8］計算；荷載等級為公路—Ⅰ級，并計入沖擊系數，考慮多車道折減系數。活載橫向布置按左偏和右偏兩種工況考慮。荷載組合如表3所示。

圖2 橋梁上部結構模型

表3 荷載組合

5 加固效果分析

鋼蓋梁加固后的獨柱墩橋梁上部結構，按照上述方法進行抗傾覆驗算，加固前后的橋梁抗傾覆安全系數如圖3 所示，加固后的獨柱墩橋梁的安全系數大幅度提高，最大提高幅度為加固前的9 倍，說明采用鋼蓋梁加固工藝具有明顯的加固效果。

圖3 加固前后的橋梁抗傾覆安全系數

6 結論

獨柱墩橋梁安全儲備不足，存在整體傾覆風險。對61 聯公路橋梁進行抗傾覆驗算，約49%不滿足抗傾覆驗算的要求，并以獨柱墩橋梁為主；其中約47%的獨柱墩橋梁，抗傾覆驗算時不滿足第1特征狀態，約90%的獨柱墩橋梁不滿足第2 特征狀態。在獨柱墩頂部增加鋼蓋梁，并在鋼蓋梁頂部增設橡膠支座，改變了原獨柱墩橋梁單點承載為多點承載；經過鋼蓋梁加固的獨柱墩橋梁，抗傾覆性能大幅提升，有效提升了橋梁的抗傾覆安全系數。