盧羿良

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋由來(lái)已久，是國(guó)內(nèi)外比較常見(jiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)，獨(dú)柱墩因其墩身結(jié)構(gòu)形式流暢，橋體美觀(guān)大方，并且具有占用橋下空間小，增加行車(chē)視野，改善橋梁下部空間布局，降低造價(jià)，經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于橋梁的下部結(jié)構(gòu)。尤其是在城市高架、公路跨線(xiàn)、匝道立交等下部空間有限或有行車(chē)需要的地方，常常能看到獨(dú)柱墩的身影。然而在我國(guó)，大型車(chē)輛超載現(xiàn)象比較嚴(yán)重，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)多輛超載大車(chē)或重載車(chē)輛在橋梁的單側(cè)行駛時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重偏載現(xiàn)象，當(dāng)偏載打破橋梁邊界條件時(shí)，橋梁失穩(wěn)支座出現(xiàn)脫空，導(dǎo)致獨(dú)柱墩橋梁發(fā)生傾覆[1]。

1 工程概況

甘肅省某高速公路立交橋設(shè)計(jì)于2003年，橋面全寬8.5 m，上跨排洪溝及灌溉渠，位于R=106圓曲線(xiàn)及緩和曲線(xiàn)上。上部結(jié)構(gòu)采用（20.794+20+20）m+（3×20）m兩聯(lián)曲線(xiàn)預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁，橋梁全長(zhǎng)：125.68 m。下部結(jié)構(gòu)1#、2#和4#、5#號(hào)墩采用獨(dú)柱墩，且獨(dú)柱墩上設(shè)置單支座，因此對(duì)該橋兩聯(lián)連續(xù)梁進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算。

原橋梁設(shè)計(jì)荷載為：汽—超20，掛—120。

2 驗(yàn)算的主要規(guī)定及條款

獨(dú)柱墩橫橋向抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算除按照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范條文進(jìn)行驗(yàn)算外[2]，還應(yīng)符合以下條款：

（1）在荷載作用下，單向受壓支座應(yīng)保持受壓狀態(tài)。

（2）在標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下，連續(xù)箱梁橋僅受受壓支座支承的情況下，滿(mǎn)足以下要求：

式中：kqf——抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取kqf=2.5；在超載路段時(shí)，kqf應(yīng)適當(dāng)提高；

∑Sbk,i——使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；

∑Ssk,i——使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；

li——第i個(gè)橋墩處失效支座與有效支座的支座中心間距，在傾覆失穩(wěn)極限狀態(tài)各橋墩僅存在一個(gè)有效支座；

RGki——全部支座有效的支承體系中，第i個(gè)橋墩處失效支座的永久作用支反力；

RQki——全部支座有效的支承體系中，第i個(gè)橋墩處失效支座的可變作用支反力。

其他說(shuō)明：

①上述驗(yàn)算汽車(chē)荷載考慮沖擊系數(shù)；

②汽車(chē)荷載效應(yīng)（考慮沖擊作用）按各失效支座對(duì)應(yīng)的最不利布置形式取值；

③在基本組合和汽車(chē)荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)為3.4時(shí)，活載及橫向分布系數(shù)均按照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）取值。

3 抗傾覆驗(yàn)算荷載取值

（1）《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）第4.1.8條規(guī)定。

（2）荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）規(guī)定采用。

（3）自重：鋼筋混凝土容重取25.0 kN/m3。

（4）驗(yàn)算荷載：公路-Ⅰ級(jí)，抗傾覆驗(yàn)算時(shí)考慮車(chē)道在曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)偏載和曲線(xiàn)外側(cè)偏載2種工況。

（5）二期恒載。橋面鋪裝：橋面為9 cm厚鋼筋混凝土（重力密度取25.0 kN/m3）+9 cm厚瀝青混凝土（重力密度取23.0 kN/m3），橋面凈寬7.5 m，所以鋪裝層的單位長(zhǎng)度質(zhì)量為：（25+23）×0.09×7.5=32.4 kN/m；

防撞墻（單側(cè)）：防撞護(hù)欄為鋼筋混凝土實(shí)體。單側(cè)護(hù)欄折算線(xiàn)荷載集度25×0.3=7.5 kN/m 。

4 抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果

獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆驗(yàn)算包括支座反力計(jì)算和抗傾覆系數(shù)計(jì)算。模擬獨(dú)柱墩橋梁在（重載或超重載）汽車(chē)荷載作用下，分別在匝道橋梁曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)和外側(cè)施加荷載，驗(yàn)算在汽車(chē)偏載情況下，是否會(huì)引起橋梁邊界條件失效而失去平衡，導(dǎo)致橋梁支座單依次脫空，發(fā)生傾覆。橋梁的抗傾覆系數(shù)即上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值與上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值的比值，兩者分別為橋梁支反力和汽車(chē)活載對(duì)傾覆軸線(xiàn)的彎矩值。

依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）第4.1.8條及條文說(shuō)明之規(guī)定，驗(yàn)算匝道橋梁在曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)偏載和外側(cè)偏載兩種工況下箱梁的支座反力（特征狀態(tài)1）及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)（特征狀態(tài)2）。圖1所示為匝道各支座的編號(hào)，圖2所示為該計(jì)算聯(lián)橋梁有限元模型，圖3所示為永久作用標(biāo)準(zhǔn)值作用下的支座反力。

圖1 匝道支座布置圖（單位：cm）

圖2 有限元模型

圖3 有限元計(jì)算永久作用標(biāo)準(zhǔn)值支座反力（單位：kN）

按內(nèi)側(cè)偏載和外側(cè)偏載2種工況活載條件進(jìn)行計(jì)算，并考慮橋梁恒載、溫度以及不均勻沉降等方面的影響，計(jì)算該橋第一聯(lián)橋梁曲線(xiàn)外側(cè)和內(nèi)側(cè)偏載作用下的抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明：曲線(xiàn)外側(cè)偏載作用時(shí)，該橋第一聯(lián)在作用基本組合下支座出現(xiàn)受拉情況，最大拉力為215.6 kN，不滿(mǎn)足規(guī)范要求，在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合下，橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)最小值為1.2（＜2.5），不滿(mǎn)足規(guī)范要求；曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)偏載作用時(shí)，該橋第一聯(lián)在作用基本組合下支座均處于受壓狀態(tài)，滿(mǎn)足規(guī)范要求，作用標(biāo)準(zhǔn)值組合下，橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)最小值為1.8（＜2.5），不滿(mǎn)足規(guī)范要求。獨(dú)柱墩橋第二聯(lián)橋梁曲線(xiàn)外側(cè)和內(nèi)側(cè)偏載作用下的抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果表明：曲線(xiàn)外側(cè)偏載作用時(shí)，該橋第二聯(lián)在作用基本組合下支座出現(xiàn)受拉情況，最大拉力為209.3 kN，不滿(mǎn)足規(guī)范要求，作用標(biāo)準(zhǔn)值組合下，橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)最小值為1.2（＜2.5），不滿(mǎn)足規(guī)范要求；曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)偏載作用時(shí)，該橋第二聯(lián)在作用基本組合下支座均處于受壓狀態(tài)，滿(mǎn)足規(guī)范要求，作用標(biāo)準(zhǔn)值組合下，橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)最小值為1.7（＜2.5），不滿(mǎn)足規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果如表1—表2。

表1 第一聯(lián)橋梁抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果

表2 第二聯(lián)橋梁抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果

5 加固設(shè)計(jì)

5.1 方案比選

方案一：對(duì)獨(dú)柱墩進(jìn)行增大墩身截面加固。為提高橋梁的橫向穩(wěn)定性能，使得原來(lái)橋墩立柱所受的偏心受壓作用減小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，通過(guò)植筋，澆筑混凝土，將橋墩兩側(cè)擴(kuò)大為矩形實(shí)體墩，同時(shí)在新增部分設(shè)置抗壓支座，提高箱梁的橫向抗扭能力，改造方案見(jiàn)圖4。

圖4 橋墩加寬構(gòu)造圖

方案二：對(duì)獨(dú)柱墩墩頂增設(shè)鋼蓋梁。在墩頂增設(shè)鋼蓋梁與橋墩形成可靠連接[3]。增設(shè)橫梁采用焊接鋼結(jié)構(gòu)，通過(guò)錨栓錨固與橋墩頂部固結(jié)。鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧云鐵中間漆以及氟碳面漆。同時(shí)在原支座兩側(cè)各新增一個(gè)抗壓支座，實(shí)現(xiàn)由單支座變?yōu)槎嘀ё?，以提高梁體的橫向抗扭能力，改造方案如圖5所示。

圖5 橋墩頂增設(shè)鋼蓋梁構(gòu)造圖

方案三：對(duì)獨(dú)柱墩墩前端挖井基礎(chǔ)范圍外采用門(mén)式墩、樁基礎(chǔ)。為提高橋梁的整體橫向穩(wěn)定性，在橋墩前端增設(shè)門(mén)式墩，利用門(mén)式墩的穩(wěn)定性增加橋梁的抗傾覆能力，改善橋梁的整體受力。改造方案如圖6所示。

圖6 橋墩前端增設(shè)門(mén)式墩構(gòu)造圖（單位：cm）

3種加固方案均能增大支座間距、使中墩單支承改為多支承體系，增大橋梁支撐系統(tǒng)的抗傾覆性。3種加固方案具體優(yōu)缺點(diǎn)詳見(jiàn)表3。

表3 改造方案比選

5.2 加固效果分析

經(jīng)加固處理并增設(shè)支座后，橋梁墩柱實(shí)現(xiàn)由單支座變?yōu)槎嘀ё?，參照加固前的分析?yàn)算過(guò)程進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性分析驗(yàn)算，曲線(xiàn)外側(cè)、內(nèi)側(cè)偏載加載時(shí)，計(jì)算得到在作用基本組合下，該橋第一聯(lián)（3×20）m鋼筋混凝土連續(xù)梁的支座均處于受壓狀態(tài)，滿(mǎn)足規(guī)范要求；作用標(biāo)準(zhǔn)值組合下，橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)最小值為8.2＞2.5，滿(mǎn)足規(guī)范要求。第二聯(lián)（3×20）m鋼筋混凝土連續(xù)梁的支座均處于受壓狀態(tài)，滿(mǎn)足規(guī)范要求；作用標(biāo)準(zhǔn)值組合下，橫橋向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)最小值為8.7＞2.5，滿(mǎn)足規(guī)范要求。具體抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表4—表5。

表4 加固后第一聯(lián)橋梁抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果

表5 加固后第二聯(lián)橋梁抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果

6 結(jié)論

獨(dú)柱墩連續(xù)梁橋具有較多優(yōu)點(diǎn)，特別是建設(shè)條件差、小半徑曲線(xiàn)、橋下空間受限等情況下，多使用獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)形式。但現(xiàn)實(shí)中，因?yàn)橐恍┡既灰蛩?，致使橋梁突然受到極大的偏載作用，打破了原橋梁邊界平衡條件，導(dǎo)致橋梁支座脫空出現(xiàn)傾覆事故，造成極大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。文章結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)某高速立交獨(dú)柱墩進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果提出了增大支座間距、中墩由單支承改為多支承等方面加固處理措施，以期為同類(lèi)工程的處理提供借鑒。