城市高架橋梁獨柱墩加固措施及驗算

■黃曉濱

（悉地（蘇州） 勘察設計顧問有限公司，蘇州 215128）

城市高架橋是城市交通的骨干網(wǎng)絡，高架橋梁的建設受地形、地物、用地紅線、占地空間、橋下凈空、視線和景觀等影響，很多匝道橋梁的下部結構橋墩多采用獨柱單支座形式，從而達到減少土地占用、改善視線和下部布局、橋形美觀、方便施工、減少橋梁基礎與地下建筑及管線位置沖突、優(yōu)化跨徑布置節(jié)省成本等目的。 但隨著城市發(fā)展，交通流量飛速增長，特別是超載運輸車輛增多，導致橋梁結構出現(xiàn)永久性和不可恢復的損壞，大大縮短橋梁的使用壽命。 除橋梁結構本身結構損壞外，還可能導致橋梁在運營期間發(fā)生支座脫空，嚴重者甚至導致橋梁突然傾覆，危及橋梁和人民生命財產(chǎn)安全[1]。

1 橋梁抗傾覆研究進展

2004 年及之前的橋梁規(guī)范中，并未對汽車超載引起的橋梁抗傾覆提出具體的要求。 橋梁設計師結合各自經(jīng)驗，在對橋梁抗傾覆驗算時適當留有安全富余。 2012 年哈爾濱發(fā)生橋梁側翻事故后，橋梁設計規(guī)范中明確規(guī)定橋梁設計時應針對橋梁傾覆進行驗算，驗算采用傾覆軸的概念，且橋梁傾覆穩(wěn)定系數(shù)不得低于2.5[2]，由此提供了橋梁抗傾覆算法及安全系數(shù)要求。 在最新的JTG3362-2018《公路鋼筋混凝土及預應力鋼筋混凝土橋涵設計規(guī)范》中，明確了橋梁抗傾覆驗算的具體條文和要求，對于穩(wěn)定效應和失穩(wěn)效應的計算采用了按照失效支座對有效支座的力矩的方式進行計算，也就是除了傾覆還考慮了側滑情況，計算方式相對簡便，且易于編程。 傾覆軸的概念理解相對簡單直觀，但對于彎橋實際操作起來很困難， 軟件公司在確定傾覆軸上存在分歧。 自2012 年起，設計師更加重視橋梁的抗傾覆問題，新建高架橋梁已基本避免采用獨柱單支座形式的下部結構形式，對于下部結構布置受限情況也采用墩梁固結形式，不連續(xù)兩個及以上的獨柱墩，以此來提高橋梁整體的穩(wěn)定能力，避免上部結構傾覆。但對于已建在役高架橋梁，則需對獨柱墩加固以提高其抗傾覆能力。

2 蘇州中心城區(qū)高架橋梁情況

在城市發(fā)展中，不少在役多年高架橋梁為獨柱單支座橋墩。 以蘇州為例，現(xiàn)已建成南環(huán)路、北環(huán)路、西環(huán)路、東環(huán)路及各自的延伸線構成井字形的快速路骨架，星華街、春申湖路等快速路構成了蘇州的中環(huán)快速路。 蘇州早期建設的高架橋梁中主線均采用雙柱或雙柱花瓶墩形式，個別橋墩設置受限，采用非連續(xù)的獨柱單支座橋墩，匝道中多采用獨柱單支座形式，相關部門對汽車超載可能引起的橋梁傾覆事故非常重視，并引入墩梁固結、抗拔支座設計。

以蘇州中心城區(qū)常見的3×32 m、26 m 主線箱梁為例， 圖1～2 為蘇州典型高架斷面及現(xiàn)場情況，經(jīng)計算，主線最不利車道布置下，橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)5.7， 滿足現(xiàn)行2018 版規(guī)范要求的2.5 抗傾覆系數(shù)要求，且支座未出現(xiàn)負反力。 中心城區(qū)高架橋梁匝道橋梁布置多為連續(xù)獨柱單支座橋墩形式，匝道兩側邊墩采用雙支座形式，中墩則為連續(xù)單支座。 以常見的3×32 m、8.5 m 匝道箱梁為例，斷面及現(xiàn)場情況如圖3 所示，經(jīng)計算，主線最不利車道布置情況下，橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)1.7，不滿足現(xiàn)行2018 版規(guī)范要求的2.5 抗傾覆系數(shù)要求。

圖1 城市主線橋梁典型橋梁

圖2 城市主線橋梁典型橋梁示意圖

圖3 城市匝道橋梁典型橋梁及示意圖

3 獨柱單支座橋墩加固形式

在役高架橋梁加固一般通過增加橫向支承點的數(shù)量、 設置橫向限位裝置及設置橫向抗拉等措施，以達到提高獨柱墩橋梁整體抗傾覆穩(wěn)定性的目的。 基于以上原則，高架橋梁獨柱墩加固方式有以下3 種。

3.1 橋墩兩側增設墩柱

橋墩兩側增設立柱是指在原橋墩兩側增設橋墩立柱或橫向加寬現(xiàn)有橋墩尺寸，在新增立柱或加寬斷面上增設支座，從而為主梁額外附加2 處支點，支柱下端可與原承臺連接，加固形式如圖4 所示。當橋面出現(xiàn)超載車輛時，橋墩兩側新增支座可為上部結構提供支撐，防止整體側翻或傾覆。

圖4 橋墩兩側增設墩柱示例

3.2 墩頂增設鋼蓋梁

墩頂增設鋼蓋梁是指利用橋梁現(xiàn)有橋墩，在墩頂位置增設鋼蓋梁，鋼蓋梁通過錨栓與墩身連為整體， 加固后橋墩形式類似花瓶墩， 加固形式如圖5所示。 通過在新增鋼蓋梁增設支座，為主梁增加兩處支點，當橋梁出現(xiàn)傾覆趨勢時起到支撐作用。

圖5 墩頂增設鋼蓋梁示例

3.3 墩、梁間增設拉桿

即在墩梁之間設置拉桿，其效果類似于抗拉支座，當橋梁出現(xiàn)支座出現(xiàn)脫離時，拉桿可提供抗扭反力，避免橋梁發(fā)生瞬間傾覆，加固形式如圖6所示。

圖6 墩、梁間增設拉桿示例

4 城市高架橋梁獨柱墩加固措施的影響因素

相較于公路獨柱墩橋梁，影響城市高架橋加固措施的因素更為復雜，其主要限制因素包括以下幾點。

4.1 橋墩處地面道路行車限界

城市高架橋梁下多為城市地面道路，高架橋墩多落于道路分隔帶內。 就獨柱墩加固而言，無論采用何種加固措施，皆會侵占橋墩兩側凈寬或凈高。故在確定城市高架橋梁獨柱墩加固方案前，應逐墩核查加固橋墩位置地面道路通行限界情況，避免出現(xiàn)因橋墩加固構件侵入地面道路通行限界而引起的事故。

4.2 周邊交通情況

城市高架橋梁多位于交通繁忙區(qū)域，獨柱墩加固施工不可避免地對周邊交通產(chǎn)生影響，因此在確定加固方案時，應盡量采用影響小、工期短的加固形式，如鋼蓋梁結構。

4.3 對周邊景觀影響

隨著城市建設不斷發(fā)展，城市居民對景觀愈加重視， 城市高架橋梁作為城市景觀的重要部分，加固措施應充分考慮橋墩處景觀，做到整體協(xié)調美觀，不突兀，將改造引起影響降至最低。

5 加固后抗傾覆性能驗算

運用有限元軟件Midas/Civil 建立全橋空間模型，充分考慮箱梁預應力鋼筋的影響，對橋梁抗傾覆能力進行驗算。以4×30 m 匝道為例，匝道主梁梁高1.6 m，全寬8.5 m，邊墩為雙支座，支座間距3 m，中墩為3 個連續(xù)單支座，計算模型如圖7 所示。

圖7 4×30 m 匝道計算模型

計算結果表明，在最不利車道布置下，兩側邊墩支座脫空， 負反力-35 kN， 橋梁傾覆系數(shù)1.49＜2.5，不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。對于城市高架橋梁，受地面道路及周邊環(huán)境因素限制，部分獨柱墩無法進行加固，故本次驗算對多種可能出現(xiàn)情況均進行了驗算，計算模型如圖8～12 所示。

圖8 僅加固1#（3#）獨柱墩模型

圖9 僅加固2# 獨柱墩模型

圖10 加固1#、2# 獨柱墩模型

圖11 加固1#、3# 獨柱墩模型

圖12 所有獨柱墩均加固模型

在各工況下，加固后抗傾覆計算結果如表1所示。

表1 獨柱墩加固計算結果

經(jīng)計算可知，對于寬度較小匝道，獨柱墩加固對增強上部結構抗傾覆作用明顯，僅加固單個橋墩即可滿足現(xiàn)行規(guī)范抗傾覆要求。 當條件受限、無法對全部獨柱墩加固時，應優(yōu)先選擇對中心橋墩進行加固，其增強抗傾覆能力效果更明顯。

6 鋼蓋梁加固細部驗算

6.1 鋼蓋梁結構

城市高架橋梁獨柱墩加固時，為保證橋面交通不受影響，均保留現(xiàn)有支座，橋梁自重荷載由原支座承擔，兩側新增支座僅承受使用期間車輛荷載產(chǎn)生的反力，鋼蓋梁構造如圖14 所示。 構件驗算采用有限元軟件Midas/Civil 建立板單元模型，計算采用節(jié)點彈性支撐模擬鋼蓋梁與橋墩間連接。 以標準段鋼蓋梁計算（新增支座間距2.8 m）為例，最大支座反力取2 500 kN 計算，鋼蓋梁采用Q345c 鋼材，鋼蓋梁構造形式如圖13 所示。

圖13 鋼蓋梁構造

圖14 鋼蓋梁軸向應力圖

圖15 鋼蓋梁剪應力圖

經(jīng)計算，鋼蓋梁最大軸向應力為199.2 MPa（Y軸向），最大剪應力為108.5 MPa，計算結果如圖14～15 所示，均滿足規(guī)范要求。

對于采用鋼蓋梁加固的橋墩立柱，新增支座偏心受力后會對現(xiàn)有橋墩產(chǎn)生附加彎矩，因此除蓋梁自身結構外，仍需進行橋墩立柱進行驗算，計算結果表明新增蓋梁后橋墩仍能滿足受力要求。

6.2 鋼蓋梁錨栓

根據(jù)GB 50367-2013《混凝土結構加固設計規(guī)范》和JGJ 145-2013《混凝土結構后錨固技術規(guī)程》，鋼蓋梁群錨驗算按鋼材破壞及混凝土剪撬破壞進行驗算，其驗算公式如下：

鋼蓋梁錨栓豎向間距200～250 mm， 每排環(huán)向布置12 根，如圖16 所示。

圖16 鋼蓋梁錨栓布置圖

驗算結果如表2～3 所示。

表2 鋼材承載力驗算結果

表3 混凝土承載力驗算結果

7 獨柱墩支座監(jiān)測

為檢驗橋墩獨柱墩加固后兩側新增支座工作情況，對某3×30 m、8.5 m 寬典型匝道設置了反力監(jiān)測裝置，測點布置如圖17 所示，測點近期測量結果如圖18 所示。

圖17 鋼蓋梁支座反力測點布置

圖18 鋼蓋梁支座測點近期測量結果

本次測點布置位置為禁貨高架橋梁，測量結果顯示該區(qū)間內兩側新增支座最大反力約306 kN。按實際車輛布置后，理論計算最大反力333.1 kN，實際測量與理論計算結果基本吻合，加固后新增支座運行良好，能有效起到抗傾覆作用。

8 結語

以蘇州中心城區(qū)高架橋梁為例，對在役高架橋梁獨柱墩情況進行實地調研，驗算了現(xiàn)有橋梁的抗傾覆能力，得出以下結論：（1）對常規(guī)城市高架橋梁，可采用增設立柱、增設鋼蓋梁以及增設拉桿的形式進行加固，在橋下凈空條件允許情況下，建議采用鋼蓋梁形式進行加固，此加固形式施工簡便，對周邊環(huán)境影響最小；（2）當城市橋梁存在連續(xù)獨柱單支座橋墩且現(xiàn)場加固條件受限無法全部加固時，應優(yōu)先選擇對中心橋墩進行加固，其加固效果更明顯；（3）通過建立實體模型，對鋼蓋梁結構進行了驗算，并以此為依據(jù)合理布置構件尺寸；根據(jù)規(guī)范對鋼蓋梁群錨進行驗算，驗算結果滿足規(guī)范要求；（4）通過設置測點，持續(xù)監(jiān)測鋼蓋梁新增支座反力，并與理論計算結果進行對比，對比結果表明實際測量與理論計算結果基本吻合，加固后新增支座運行良好，能有效起到抗傾覆作用。