独柱墩桥梁横向抗倾覆加固策略探讨

李亮

摘要：为防范独柱墩桥梁发生倾覆事故，通过改变桥梁结构、调整中墩支撑偏心距以及增设上下部结构连接装置三种方式，探讨提高独柱墩桥梁抗倾覆能力的途径。文中通过有限元计算，探讨了合理的桥宽（B）与支座间距（d）比值和中墩支座预偏心对改善联端支座不均匀受力的效果。通过对提高独柱墩桥梁抗倾覆方案的探讨，为选择抗倾覆加固方案提供参考。

关键词：支座预偏心；增设墩柱；上下部连接装置；抗倾覆能力

1引言

独柱墩桥梁由于具有结构轻巧、桥下视野开阔、占地面积少等优势，在桥梁工程中广泛采用，更是成为城市立交桥、高架桥，高速公路匝道桥的不二之选。由于独柱墩桥梁采用的是单支点支撑，在车辆的偏载作用下，易发生横向倾覆事故。现有桥梁规范针对桥梁强度设计条款较多，却较少涉及桥梁横向稳定性验算。最近几次事故中，桥梁整体强度并未发生破坏，而是出现横向倒塌，横向稳定性，成为特定桥型的薄弱环节。针对近年来不断发生的独柱墩桥梁倒塌事故，全国各省市已经就其横向稳定性问题开展了排查工作，并且出台了地方性质的横向稳定性验算标准。

本文针对独柱墩桥梁存在的抗倾覆能力不足的问题，通过改变桥梁结构、调整中墩支撑偏心距以及增设上下部结构连接装置三种方式探讨提高独柱墩桥梁的抗倾覆能力的途径。

2倾覆过程分析

桥梁倾覆是一个分阶段的过程，通常可将桥梁在汽车偏载作用下出现支座脱空现象划为第一阶段，而把上部结构由于荷载增加导致倾覆力矩大于桥梁自重提供的抗倾覆力矩，出现失稳现象划为第二阶段。支座脱空是倾覆过程的开始，倾覆力矩大于抗倾覆力矩是倾覆的终了状态。因此，提高抗倾覆能力措施，可以通过分析这两个状态来探讨。

3改变桥梁结构

对于独柱墩直线桥来说，桥宽与支座间距比值的影响更为显著，桥宽一定时，可通过增大支座间距改善偏载作用下联端支座受力不均匀。以3×20m为一联的现浇钢筋混凝土独柱墩箱梁桥为例，通过有限元软件midascivil建立三跨连续直线桥模型计算联端支座反力。

中墩支座采用单支点铰接，联端采用双支座。约束布置图和横断面图分别如图1、2所示。为了研究桥宽与支座间距比值（B/d）对抗倾覆能力的影响，支座间距d分别设为2、3、4、5m这四种情况，分别计算联端支座反力情况。

由表1可知，支座间距较小时，联端内侧支座反力较小，易出现支座脱空现象；随着支座间距加大，内侧支座最小反力减小，联端支座反力差值逐渐减小，受力趋向于均匀，支座脱空概率越小，抗倾覆能力提升。因此，在满足桥梁竖向强度和支座承载力条件下，可以通过加大支座间距来改善联端支座不均匀受力，从而提升独柱墩桥梁抗倾覆能力。实际工程中，为了增大桥梁的通行能力通常将桥梁宽度做的很宽，当联端支座间距较小时，其横向稳定性存在明显的不足，需要尽可能增加桥梁横向支撑间距以提高桥梁的抗倾覆能力。

3.1上部结构加固改造

根据上述分析，通过加大支座间距可以改善联端支座不均匀受力，从而提高桥梁抗倾覆能力。具体结构措施之一可将端横梁拼宽加长并增设拉压支座，通过新增支座拉大支座间距，均衡桥梁联端支座受力，并且利用拉压支座可以抵抗活载作用下主梁的部分扭矩，提高了桥梁抗倾覆能力。可采用的拼宽方法主要有增设钢横梁并通过锚栓和主梁端横梁形成整体或者直接在主梁端横梁处植筋新浇混凝土进行加宽，见图3。该方案相对简单、经济又不占用桥下空间，不影响独柱墩桥梁整体美观。

图3端横梁拼宽示意图

3.2下部结构增设支撑

以桥梁下部结构作为加固对象，基本措施在于增设桥梁横向支撑，形成抗扭约束，平衡结构横向扭矩，提高横向稳定性。工程上常采用的几种处理方法如下：

（1）增设盖梁。在原有独柱墩顶部增设盖梁和支座，将横向单点支撑变为多点支撑，增加主梁抗扭约束来抵抗倾覆力矩，见图4。增设的盖梁结构形式可为预应力混凝土盖梁或钢盖梁，可根据柱径、柱高选择盖梁形式。为保证墩柱承载能力，有时可以利用外包薄壁钢板或者碳纤维布来进行墩柱加固。该方案加固效果良好，基本不影响桥梁整体美观，已被实际工程所应用。该方案后期维护工作难度较大，需定期检查新增支座受力；施工时，对于混凝土盖梁还需在桥下支模板浇筑，对桥梁短期通行有一定影响。

图4增设盖梁示意图

（2）原墩加宽。原墩加宽的加固方案是在原墩上植入钢筋，打毛墩柱表面，浇筑新混凝土来扩宽墩柱面积，使墩顶符合安装多支座的要求。该方案也能使全桥受力状况得到改善且经济方便，但加宽面积有限，多支撑间距受到限制；当墩柱下无承台时，该方案难以实现；施工过程较困难，需要保证新旧混凝土整体性和准确预留支座高度的间距。

（3）新增墩柱。新增墩柱的加固思路也是将单点支撑变为多点支撑。通过在原墩柱两侧增加新支撑墩柱并在柱顶设置新支座，这是目前工程上通常采用的抗倾覆加固方法，见图5。支撑柱形式可为混凝土柱或钢管混凝土柱等，并且要求新增支撑与原墩要有横梁连接以保证两者的整体性。增设墩柱的方法主要有两种：①增设桩基并加大承台面积，再增加支撑柱；②承台面积受限时，直接在承台上增设支撑柱。该种方案受力明确，能较好地改善桥梁横向受力，技术也成熟，但对桥下净空有要求和设有辅道的桥梁，易受地理位置与承台的影响。施工工序较多，必须严格按照顺序进行。特别对于高墩桥，支撑柱都需要分段支模浇筑并保证混凝土密实性，而采用增设钢管混凝土柱时还需对钢管进行防腐处理。

图5新增墩柱示意图

4增设上下部结构连接装置

连接装置作用是将上部梁体结构与下部结构墩柱（桥台）连接起来提高桥梁抗倾覆能力。连接装置通过自身的竖向承载力来抵抗活载作用下桥梁支座竖向负反力，避免支座出现脱空现象，同时装置竖向承载力与横向布置间距乘积作为其对主梁抗倾覆能力的贡献值。预拉力型抗倾覆构造措施可以是由吊杆和锚具组成的吊杆式连梁装置，也可以是预应力拉杆连梁装置，两者都可以通过初始预拉力为支座提供压力储备，防止支座脱空。根据城市独柱墩桥梁对桥下净空的限制以及桥梁上部结构横向稳定性的要求，作者提出一种既能有效改善桥梁整体受力又能兼顾桥梁美观的拉索式连梁装置。为了保证不对桥梁自由收缩产生约束，连梁装置一端通过叉耳与设置在主梁上耳板相连，另一端通过钢托与桥墩（盖梁）相连，在拉索锚端使用球形螺母及球形垫板以适应桥梁纵向变形，并且需要和横向限位装置配合使用来防止桥梁发生横向滑移，利用拉索将上下部结构连接起来，可以对拉索施加预应力，保证支座受压不发生脱空现象，也可根据验算荷载工况下支座受力设计不同的竖向承载能力。

5结束语

1）独柱墩桥梁联端支座反力差值随着支座间距的增大而趋于均匀，总结了工程上通过端横梁拼宽并增设拉压支座、增设盖梁或者增加支撑柱等几种拉大支座间距方法的优缺点。

2）通过有限元计算，说明了在一定范围内，改变曲线桥梁中墩支座预偏心值能使桥梁横向力分布达到最佳，从而提高桥梁横向抗倾覆能力，并且合理预偏心值随着曲率半径的增大而减小。

参考文献：

[1]刘艳.浅谈独柱墩桥梁横向抗倾覆加固措施[J].建筑工程技术与设计，2018，（31）：1720.

[2]陈园园.浅谈独柱墩桥梁横向抗倾覆加固措施[J].建材与装饰，2018，（30）：285-286.