陳 云

(廣東省高速公路發(fā)展股份有限公司佛開分公司，廣東 佛山 528000)

0 引言

獨柱墩橋梁因結(jié)構(gòu)輕巧、橋下通透性好、適應(yīng)橋下道路及構(gòu)筑物等復(fù)雜場地條件能力強(qiáng)、節(jié)約造價等優(yōu)點，在公路匝道橋、跨線橋和城市立交橋梁中有著廣泛的應(yīng)用。但是近年來獨柱墩橋梁因施工過程中施工作業(yè)不當(dāng)或運營過程中超載車輛通行而倒塌的事故時有發(fā)生。

這些事故的發(fā)生往往沒有明顯的征兆，偶發(fā)性和破壞性強(qiáng)，帶來了巨大的生命和財產(chǎn)損失，社會影響惡劣，是橋梁結(jié)構(gòu)安全運營的一大隱患。

事故發(fā)生后，各地均相繼展開了獨柱墩橋梁安全排查工作，廣東省在粵贛高速公路“6·19”事故后也啟動了對高速公路和城市道路獨柱墩橋梁抗傾覆安全性評估與結(jié)構(gòu)加固工作。由于目前獨柱墩橋梁橫向抗傾覆評估的理論體系尚不十分完善，各省市采取的抗傾覆評估方法與準(zhǔn)則不一。

佛開高速公路作為粵西地區(qū)的交通要道，是廣東省內(nèi)少數(shù)幾條已經(jīng)部分?jǐn)U建至雙向八車道的高速公路，本文結(jié)合佛開高速公路擴(kuò)建段獨柱墩橋梁的特點，介紹其橫向抗傾覆評估的技術(shù)準(zhǔn)則與改造對策。

1 擴(kuò)建高速公路獨柱墩橋梁特點

高速公路橋梁獨柱墩多用于跨線橋和匝道橋，其上部結(jié)構(gòu)一般采用連續(xù)箱梁，其中主線跨線橋一般位于直線段，匝道橋一般位于曲線段。

在高速公路改擴(kuò)建的過程中，匝道橋通常需要拆除改造，其結(jié)構(gòu)特征與一般的匝道橋無異，而主線橋通常采用兩側(cè)拼寬的方式，其結(jié)構(gòu)特征與采用的拼寬方式有關(guān)。佛開高速公路擴(kuò)建時主線拼寬采用了分離式路基和整體式路基兩種方案：分離式路基段原建橋和擴(kuò)建橋分離，結(jié)構(gòu)受力相對獨立，可按一般的獨柱墩橋梁進(jìn)行處治；整體式路基段原建橋和擴(kuò)建橋拼接，對于連續(xù)箱梁橋，目前采用縱向伸縮縫的方式進(jìn)行橫向拼接。

2 獨柱墩橋梁橫向抗傾覆性能評估

2.1 獨柱墩橋梁橫向傾覆的機(jī)理[1-3]

典型獨柱墩橋梁垮塌事故顯示，獨柱墩橋梁的橫向傾覆依結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點表現(xiàn)為兩種形式：一種為上部混凝土或鋼箱梁的整體傾覆，如包頭市民族東路高架橋和哈爾濱陽明灘大橋；另一種為墩柱傾倒后的結(jié)構(gòu)垮塌，如上虞春暉互通立交匝道橋和粵贛高速公路城南互通C匝道橋。前者主要是由橋面汽車荷載偏載作用下梁體繞某一轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動至某一角度后翻轉(zhuǎn)或滑落至地面，后者則是在橋面汽車荷載偏載作用下梁體繞某一轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動至某一角度后，支座失效或墩柱在梁體翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的較大水平推力作用下斷裂，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)垮塌。

獨柱墩橋梁橫向傾覆的上述機(jī)理相對明確，但由于缺乏理論分析數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果，關(guān)于影響梁體傾覆的關(guān)鍵性參數(shù)目前還缺乏深入研究。

2.2 獨柱墩橋梁橫向抗傾覆性能評估方法

獨柱墩橋梁橫向傾覆屬于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題，在過去的很長一段時間內(nèi)，公路橋梁建設(shè)者對主梁受力主要集中于梁體的抗彎、抗剪強(qiáng)度和抗裂性等，而對主梁傾覆穩(wěn)定性鮮有關(guān)注，現(xiàn)行公路橋梁設(shè)計規(guī)范在這方面也暫為空白。

目前，關(guān)于獨柱墩橋梁橫向抗傾覆性能的評估以理論計算分析為主。由于缺乏規(guī)范的明確規(guī)定，各地公路管理部門在對其管轄范圍內(nèi)獨柱墩橋梁進(jìn)行評估時采取的準(zhǔn)則不一[4-6]。

廣東省吸收其他省市獨柱墩處理的經(jīng)驗，結(jié)合廣東省高速公路車輛運營的現(xiàn)狀，以《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-20××，總校稿)中關(guān)于主梁橫向傾覆穩(wěn)定性的規(guī)定為基礎(chǔ)，制定了獨柱墩連續(xù)箱梁橋橫向抗傾覆安全性評估的準(zhǔn)則(以下簡稱“準(zhǔn)則”)[7]，其驗算要求如下：

(1)在作用基本荷載組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)；當(dāng)汽車荷載分項系數(shù)為3.4時，單向受壓支座宜保持受壓狀態(tài)。

(2)當(dāng)箱梁橋整聯(lián)只采用單向受壓支座支承時，應(yīng)滿足：

∑Sbk,i/∑Ssk,i≥kqf

式中：kqf—橫向抗傾覆安全系數(shù)，取kqf=5；

∑Sbk,i—使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用標(biāo)準(zhǔn)組合的效應(yīng)設(shè)計值；

∑Ssk,i—使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的作用標(biāo)準(zhǔn)組合的效應(yīng)設(shè)計值。

(3)在作用基本荷載組合下，汽車荷載分項系數(shù)為3.4時，獨柱中墩支座轉(zhuǎn)角應(yīng)小于0.02rad。

(4)在作用基本荷載組合下，汽車荷載分項系數(shù)為3.4時，固結(jié)中墩壓彎強(qiáng)度應(yīng)滿足設(shè)計規(guī)范的要求。

其中，橫向抗傾覆安全系數(shù)的計算與規(guī)范JTG D62-20××(總校稿)規(guī)定的方法一致，但安全系數(shù)取值5.0為該規(guī)范值2.5的2.0倍。

3 獨柱墩橋梁橫向抗傾覆改造方案

目前，針對獨柱墩橋梁橫向抗傾覆性能的改造，主要有兩種思路[8-9]：一種是通過增設(shè)支座或調(diào)整原有支座間距來確保設(shè)計荷載下支座不脫空、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)滿足要求，常見的有增設(shè)鋼蓋梁或混凝土蓋梁、增設(shè)樁柱、墩柱加大為薄壁墩等方式；另一種則主要從控制極端狀態(tài)下梁體不傾覆落梁的角度出發(fā)，提出了增設(shè)鋼拉桿和預(yù)應(yīng)力錨索構(gòu)造。

增設(shè)鋼蓋梁和鋼拉桿方案在廣東省高速公路獨柱墩橋梁橫向抗傾覆加固中有著廣泛應(yīng)用，但實際應(yīng)用中鋼蓋梁也存在著安裝難度較大、造價相對較高、僅適用于等截面圓形墩等問題，而鋼拉桿受制作安裝精度的影響，其實際作用也可能大打折扣。

圖1 獨柱墩增設(shè)鋼蓋梁方案

圖2 獨柱墩增設(shè)樁柱方案

4 擴(kuò)建獨柱墩橋梁橫向抗傾覆改造對策

與上述獨柱墩橋梁不同的是，采用縱向伸縮縫擴(kuò)建拼接的獨柱墩連續(xù)箱梁往往面臨更復(fù)雜的問題。以佛開高速公路龍山跨線橋為例：該橋上跨地方道路，并被G325國道上跨，其左幅第22～24跨和右幅第23～26跨均采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋跨布置分別為(22.5m+2×30m+21.5m)和(25.5m+2×30m+19.7m)。受橋下地方道路的限制，原建橋三個中間墩均采用獨柱墩，邊墩采用雙柱墩，兩個支座橫向間距6m；擴(kuò)建橋中墩采用雙柱墩，其余兩個中間墩采用獨柱墩，參見圖3。

4.1 橫向抗傾覆安全性評估結(jié)果

按2.2節(jié)所述評估準(zhǔn)則，建立空間桿系有限元模型對龍山跨線橋左、右幅橋原建橋和擴(kuò)建橋分別進(jìn)行了驗算，結(jié)果如表1所示。計算的四聯(lián)橋在基本組合邊支座均存在負(fù)反力，不滿足“準(zhǔn)則”要求；單車道汽車荷載分項系數(shù)為3.4時，邊支座反力更大程度地不滿足要求，原建橋中墩支座轉(zhuǎn)角均大于0.02rad，也不滿足“準(zhǔn)則”要求，擴(kuò)建橋中墩支座轉(zhuǎn)角均小于0.02rad，滿足要求；各聯(lián)橋最小抗傾覆安全系數(shù)26.1，明顯大于5.0，滿足要求。

表1 龍山跨線橋獨柱墩橋聯(lián)橫向抗傾覆驗算結(jié)果

4.2 橫向抗傾覆改造對策

本橋連續(xù)箱梁橫向抗傾覆安全性驗算結(jié)果顯示，雖然原建橋和擴(kuò)建橋抗傾覆安全系數(shù)均滿足要求，但支座反力均不滿足要求，原建橋中墩支座轉(zhuǎn)角也不滿足要求，結(jié)構(gòu)整體抗傾覆能力不足。原建橋抗傾覆能力較擴(kuò)建橋低，主要與原建橋三個中間墩均為獨柱墩，而擴(kuò)建橋三個中間墩中有一個采用雙柱墩，使得結(jié)構(gòu)整體抗扭性能明顯提升有關(guān)。

從原建橋和擴(kuò)建橋既有墩柱布置與地方道路的相對位置關(guān)系來看：左、右幅橋原建橋和擴(kuò)建橋中墩(Z23#、Y24#墩)均位于地方道路以外，即可采用增設(shè)蓋梁方案，也可根據(jù)需要采用增設(shè)樁柱方案；其余兩個原建橋中間墩均位于地方道路中央分隔帶內(nèi)，兩個擴(kuò)建橋中間墩也緊鄰地方道路，無法采用增設(shè)樁柱方案，且橋下空間有限，墩頂增設(shè)蓋梁將壓縮橋下凈空，影響地方道路車輛通行，不宜采用。

注意到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)由于縱向伸縮縫的存在，原建橋和擴(kuò)建橋箱梁無法整體受力，大大削弱了結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，擬通過增設(shè)橫梁加強(qiáng)原建和擴(kuò)建箱梁的整體性，提高其抗傾覆能力。

基于上述分析，提出本橋橫向抗傾覆改造對策如下：

(1)對原建橋中墩(Z23#、Y24#墩)兩側(cè)橫向各增設(shè)一根樁柱。增設(shè)墩柱直徑1.2m，樁基直徑1.3m。為了滿足結(jié)構(gòu)抗傾覆受力需要，新增墩柱與原有墩柱中心距設(shè)為3.9m；新增墩柱頂面設(shè)GJZ700×700×125板式橡膠支座；墩頂箱梁增設(shè)橫梁，橫梁增設(shè)長度1.1m，縱向厚度1.2m。新增樁基采用C30混凝土，墩柱采用C35混凝土，橫梁采用C40補(bǔ)償收縮纖維混凝土。

(2)對原建橋其余兩中間墩(Z22#/24#、Y23#/25#墩)墩頂處箱梁增設(shè)橫梁，使之與擴(kuò)建橋箱梁形成可靠連接。增設(shè)橫梁采用焊接鋼結(jié)構(gòu)，通過錨栓錨固于箱梁腹板側(cè)面和翼緣底面。鋼材均采用Q355NHC耐候鋼，鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝采用環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵中間漆+氟碳面漆，干膜總厚度280μm。

施工中首先對中墩增設(shè)墩樁，再對其余中間墩頂箱梁增設(shè)連接鋼橫梁。

表2給出了以右幅橋為代表的獨柱墩橋聯(lián)改造后橫向抗傾覆性能驗算結(jié)果。經(jīng)改造，基本組合邊支座反力已由負(fù)反力-652kN變?yōu)檎戳?12kN，明顯改善；單車道汽車荷載分項系數(shù)為3.4時，邊支座負(fù)反力由-2 322kN減小至-591kN，也明顯減小；中墩支座最大轉(zhuǎn)角由0.089rad降低至0.003rad，均滿足“準(zhǔn)則”要求。

圖3 龍山跨線橋獨柱墩橫向抗傾覆改造對策

圖4 龍山跨線橋增設(shè)樁柱布置

圖5 龍山跨線橋原建和擴(kuò)建箱梁橫向連接布置

5 結(jié)語

在橋梁工作者逐漸認(rèn)識并日漸重視橋梁橫向穩(wěn)定性的今天，新建橋梁已盡量避免設(shè)置獨柱墩。但在過去數(shù)十年間建成的獨柱墩橋梁仍有大量在服役中，在對這些獨柱墩橋梁進(jìn)行橫向抗傾覆改造時，往往受原有橋梁構(gòu)造、現(xiàn)場條件等的制約，無法采用常規(guī)方案。對于采用兩側(cè)拼寬的獨柱墩橋梁來說，本文提出的在原建橋和擴(kuò)建橋梁體之間增設(shè)鋼橫梁的方案受力合理、施工簡便，效果較好，可供類似工程借鑒。