八一大橋獨(dú)柱墩抗傾覆加固方案分析

溫忠輝

（南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院，江西 南昌 330038）

1 項(xiàng)目背景及概況

由于近幾年中國(guó)交通運(yùn)輸發(fā)展迅猛，出現(xiàn)了許多超重車輛，發(fā)生了多起橋梁傾覆事故，其中獨(dú)柱墩橋梁的傾覆問(wèn)題廣受關(guān)注。江蘇無(wú)錫市318國(guó)道于2019年發(fā)生橋梁傾覆倒塌，事故導(dǎo)致了多人傷亡，同時(shí)產(chǎn)生了惡劣的社會(huì)影響。為了確保橋梁的安全運(yùn)行，南昌市對(duì)八一大橋南北立交工程中獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行初步的傾覆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)存在傾覆風(fēng)險(xiǎn)的獨(dú)柱墩進(jìn)行了抗傾覆方案設(shè)計(jì)。在此背景下，對(duì)中心城區(qū)現(xiàn)狀橋梁進(jìn)行維修加固，從而提高城市交通服務(wù)水平。

隨著橋梁傾覆倒塌的事件不斷發(fā)生，對(duì)獨(dú)柱墩的傾覆越來(lái)越重視。2018年實(shí)施了相關(guān)規(guī)范[1-2]，對(duì)橋梁的抗傾覆能力做了明確要求，同時(shí)相關(guān)的學(xué)者對(duì)橋梁的傾覆機(jī)理[3]進(jìn)行深入研究。

八一大橋由南北立交引橋和主橋兩部分組成，主橋?yàn)殡p塔雙索面斜拉橋，總長(zhǎng)1 040 m。南北立交引橋?yàn)榛炷料湫芜B續(xù)梁，受立交線形控制，有多處異形板塊。箱梁高1.15 m，翼緣懸臂長(zhǎng)機(jī)動(dòng)車道為2.0 m，非機(jī)動(dòng)車道橋?yàn)?.85 m，橋面凈寬15 m者為單箱三室，橋面凈寬11 m者為單箱雙室，橋面凈寬7 m者為單箱單室。橋梁跨徑一般為20 m，根據(jù)實(shí)際情況部分跨徑有所調(diào)整，最大跨徑為21.5 m，最小跨徑為18 m。

圖2 八一大橋南立交平面示意圖

具體橋梁分布位置見圖1至圖3。八一大橋橋梁加固具體統(tǒng)計(jì)信息，見表1。

圖1 八一大橋立面圖（單位：m）

圖3 八一大橋北立交平面示意圖

表1 八一大橋南北立交加固墩數(shù)量表

考慮到該工程橋梁的匝道數(shù)量較多，為了突出重點(diǎn)，本文選取了C線橋第三段（見圖4）為主要的研究對(duì)象。該聯(lián)橋梁情況如下:匝道橋梁軸線為圓曲線，半徑為50 m；共有6跨，跨徑為19.5 m+3×21 m+19 m+20.5 m；橋?qū)?1.88 m；橋墩墩號(hào)為C17#～C23#（見圖5 ），C17#和C23#墩有下牛腿，上下兩層各有兩個(gè)支座，支座間距為6.28 m；該聯(lián)兩端設(shè)伸縮縫，是單獨(dú)聯(lián)。

圖4 C匝道第三段立面圖

圖5 C18#和C19#墩現(xiàn)場(chǎng)照片

2 加固設(shè)計(jì)原則

由于八一大橋位于南昌城市中心，且大橋已進(jìn)行了限載管理，超限重車上橋幾率較小，因此獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆驗(yàn)算及加固方案設(shè)計(jì)不考慮超載效應(yīng)，僅考慮在現(xiàn)有城市-A級(jí)荷載下，橋梁能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范[1]的傾覆要求。具體條款如下：

（1）在基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)。

（2）當(dāng)橋梁只使用單向受壓支座時(shí)，符合下式要求：

式中：kqf為傾覆安全系數(shù)，取2.5；∑Sbk，i為標(biāo)準(zhǔn)組合下使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值；∑Ssk，i為標(biāo)準(zhǔn)組合下使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

圖6為傾覆失穩(wěn)時(shí)有效支座示意圖。

圖6 傾覆失穩(wěn)時(shí)有效支座示意圖

（3）在加固橋梁時(shí)不能損害原有結(jié)構(gòu)，保持原結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不變。

（4）加固過(guò)程中應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)失穩(wěn)等不利情況，必要時(shí)采取相應(yīng)加固措施。

（5）加固設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)原有設(shè)計(jì)資料和相關(guān)檢測(cè)報(bào)告，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)。

3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）原設(shè)計(jì)橋梁荷載等級(jí)

橋涵設(shè)計(jì)荷載：機(jī)動(dòng)車道采用汽車-超20級(jí)，掛車-120；非機(jī)動(dòng)車道采用滿布人群荷載，汽車-10級(jí)。

（2）抗傾覆加固后設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本次維修加固僅按規(guī)范中有關(guān)抗傾覆規(guī)定進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，其余技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)維持原設(shè)計(jì)。

4 加固設(shè)計(jì)方案

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及該項(xiàng)目實(shí)際情況，經(jīng)分析可采用三種加固方案。

4.1 三種加固設(shè)計(jì)方案

4.1.1 方案一：墩頂新增蓋梁

通過(guò)增設(shè)蓋梁，增加了支座的數(shù)量和支承間距，提高了結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力。由于該加固方案改變了箱梁底部的受力方式，因此需要對(duì)箱梁底部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮橋下施工空間以及施工流程等因素的影響。具體方案如圖7所示。

圖7 方案一加固示意圖

4.1.2 方案二：增設(shè)墩柱

在原有獨(dú)柱橋墩兩側(cè)增加樁柱，使結(jié)構(gòu)改為多支承。新增支座間距可以采用較大間距，可大大加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗傾覆能力。增設(shè)墩柱不改變?cè)袠蚨盏氖芰δＪ剑瑹o(wú)需損傷原有墩柱，施工期間的風(fēng)險(xiǎn)較小。但新增墩柱占用較大的橋下空間，受橋梁現(xiàn)有建設(shè)條件影響較大。同時(shí)，對(duì)于橋?qū)捿^小的橋梁，由于下部樁基間距較大，可能需要對(duì)原有上部結(jié)構(gòu)橫梁進(jìn)行加寬處理。施工過(guò)程主要涉及樁柱施工、增設(shè)支座以及橫梁加寬（橋?qū)捫r(shí)）等流程。具體方案如圖8所示。

圖8 方案二加固示意圖（單位:cm）

4.1.3 方案三：增設(shè)樁基、外包墩柱以及加蓋梁

原有樁基新建承臺(tái)，并新增兩根樁基，澆筑完成后加固橋墩，并在橋墩頂部新增蓋梁。本方案對(duì)橋下空間的要求比方案二小，施工復(fù)雜度較大，結(jié)合了方案一和方案二的優(yōu)點(diǎn)。具體方案如圖9所示。

圖9 方案三加固示意圖（單位：cm）

4.2 加固方案綜合比較

對(duì)上述三個(gè)方案進(jìn)行綜合比較（見表2）。

表2 八一大橋南北立交加固方案綜合比較表

方案一加設(shè)蓋梁后，橋墩的受力方式發(fā)生變化，承受蓋梁支座力產(chǎn)生的彎矩，原有老橋圖紙中樁基鋼筋不滿足受力要求；方案二由于占用橋下空間較大，在老城區(qū)施工沒(méi)有足夠空間；方案三通過(guò)增設(shè)承臺(tái)和樁基，提高了抵抗彎矩的能力，同時(shí)對(duì)橋下空間占用不大。

因此，經(jīng)過(guò)對(duì)三種加固方案的施工難度、對(duì)景觀影響、對(duì)交通的影響、施工空間、施工工期以及施工造價(jià)等多方面比較，推薦采用方案三。

4.3 加固方案設(shè)計(jì)計(jì)算

本文選取八一大橋南橋頭的C線橋第三段進(jìn)行驗(yàn)算。該橋曲線半徑為50 m，共有6跨，跨徑為19.5 m+3×21 m+19 m+20.5 m，橋?qū)?1.88 m。

4.3.1 材料計(jì)算參數(shù)

（1）混凝土

箱梁混凝土標(biāo)號(hào)C40。

（2）鋼筋

普通鋼筋：按各聯(lián)箱梁相關(guān)圖紙，并對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)行取值。

4.3.2 計(jì)算荷載（1）恒載

恒載：箱梁自重；10 cm鋪裝層重量，防撞護(hù)欄重量按相關(guān)圖紙取值。

（2）活載

車道荷載：驗(yàn)算車輛荷載為城市-A級(jí)。

4.3.3 原橋抗傾覆計(jì)算

（1）計(jì)算模型

建立有限元模型，考慮橋梁施工階段，分析各種因素對(duì)支座反力的影響。該橋的主梁截面如圖10所示。

圖10 C線橋第三段橫斷面示意圖（單位:cm）

該橋有限元模型共計(jì)60個(gè)節(jié)點(diǎn)，50個(gè)梁?jiǎn)卧瑯蛄河邢拊Ｐ鸵妶D11。

圖11 C線橋第三段有限元模型

該橋的支座采用一般支承模擬，從左到右的樁號(hào)為C23～C17。

（2）計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖紙以及現(xiàn)場(chǎng)初步調(diào)查情況，八一大橋南橋頭C線橋第三段獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋橫向抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果見表3。

由表3計(jì)算可知，現(xiàn)有八一大橋C線橋第三段不滿足現(xiàn)行新規(guī)范抗傾覆要求，建議針對(duì)八一大橋南北橋頭工程進(jìn)行加固。

表3 八一大橋南北立交抗傾覆驗(yàn)算表格

5 加固后抗傾覆分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)條件，對(duì)C20#～C22#墩進(jìn)行獨(dú)柱墩加固，加固方案采用增設(shè)樁基、外包墩柱以及加蓋梁。

5.1 加固計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查情況，C線橋第三段的C18#和C19#墩跨越中間匝道，施工時(shí)空間不夠，因此該橋加固的橋墩是C20#～C22#墩，在C20#～C22#墩增設(shè)支座，支座間距為2.74 m。具體加固方案如圖12所示。

圖12 C線橋第三段加固方案

5.2 計(jì)算結(jié)果

考慮加固方案后，對(duì)加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4計(jì)算結(jié)果可知，八一大橋C線橋按照方案三增設(shè)樁基、外包墩柱以及加蓋梁加固后，抗傾覆能夠滿足規(guī)范要求。

表4 八一大橋南北立交加固后抗傾覆驗(yàn)算表格

6 結(jié)語(yǔ)

本文以八一大橋南北立交獨(dú)柱墩加固工程為研究背景，對(duì)八一大橋南北立交進(jìn)行了抗傾覆加固的研究，提出了相應(yīng)的加固方案，并對(duì)橋梁進(jìn)行了抗傾覆加固計(jì)算，得出了以下結(jié)論。

（1）針對(duì)本文背景工程的具體情況，提出了三種抗傾覆方案，分別是墩柱加蓋梁、增設(shè)墩柱以及增設(shè)樁基、外包墩柱加蓋梁。結(jié)合橋梁的實(shí)際情況，考慮橋梁的受力、橋下空間、施工、景觀、交通影響以及造價(jià)等因素，最終推薦方案三的加固方案。

（2）本文通過(guò)對(duì)C線橋第三段的抗傾覆計(jì)算可知，橋梁的抗傾覆能力不滿足要求，需要對(duì)橋梁抗傾覆加固，使其滿足規(guī)范要求。

（3）考慮施工空間和方案的可行性，本文對(duì)C線橋第三段采用方案三加固，加固墩為C20#～C22#，增設(shè)支座間距為2.74 m，抗傾覆計(jì)算結(jié)果表明滿足規(guī)范要求。

（4）由于本文依托工程的局限，最終選取了加固方案三。方案一和方案二均有其優(yōu)點(diǎn)，在適宜的工程環(huán)境下可以考慮采用上述兩種方案。