賈舒陽

（內(nèi)蒙古高等級公路建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

1 引言

獨柱墩橋梁因可以有效節(jié)省橋下通行空間、能夠減少對司機視線的遮擋，且外形簡潔美觀，被廣泛運用在跨線橋和匝道橋中[1，2]，但其安全狀況不容小覷。

近年來，獨柱墩橋梁安全事故時有發(fā)生，從2007年至今，全國各地至少發(fā)生了6起類似的獨柱墩橋梁側(cè)翻事故。2012年8月，哈爾濱陽明灘大橋橋梁因3輛超載車集中靠右行駛導(dǎo)致橋梁傾覆，造成3死5傷。2015年6月，粵贛高速匝道橋因4輛貨車超載行駛造成橋梁傾覆垮塌，導(dǎo)致1死4傷。2020年10月10號傍晚，江蘇無錫312 國道高架橋發(fā)生側(cè)翻事故，造成3 人死亡2 人受傷。獨柱墩橋梁的安全問題在業(yè)界得到廣泛重視[3-5]。

2020 年，交通運輸部開展獨柱墩橋梁運行安全提升專項行動，也將獨柱墩橋梁安全問題推上新的高度。文章結(jié)合獨柱墩橋梁排查過程中的所見所想，從病害表征出發(fā)，探究可能導(dǎo)致病害的原因，進而對獨柱墩橋梁設(shè)計及分析提出改進建議，對其他混凝土梁式橋的設(shè)計有參考意義。

2 獨柱墩設(shè)計及計算分析現(xiàn)狀[6]

從國內(nèi)四家公路行業(yè)甲級設(shè)計院對獨柱墩橋梁的復(fù)核驗算報告看，目前國內(nèi)橋梁設(shè)計界對獨柱墩橋梁的驗算主要方式及問題如下：

②驗算分析時未考慮已運營獨柱墩橋梁現(xiàn)有病害情況，無法準確模擬橋梁實際受力狀態(tài)。

③建模時未建立固結(jié)墩模型，僅以固定約束代替，未考慮固結(jié)墩剛度對墩梁內(nèi)力分布的影響。

圖1 某有固結(jié)墩的獨柱墩橋梁計算分析模型（未建立固結(jié)墩單元）

④梁單元模型無法較為精準地分析梁體扭轉(zhuǎn)問題，在設(shè)計過程中往往忽略梁體扭轉(zhuǎn)問題的分析驗算。

⑤在設(shè)計過程中，部分橋梁僅配置單側(cè)防撞墻，防撞墻自重較大，對梁體穩(wěn)定性不利。

⑥部分獨柱墩橋梁在設(shè)計過程中考慮到傾覆問題，進行了防傾覆構(gòu)造設(shè)計，但對運營中獨柱墩橋梁進行驗算時，通常不考慮防傾覆構(gòu)造對橋梁抗傾覆的貢獻，僅以無防傾覆構(gòu)造模式進行驗算，驗算結(jié)果失真。

⑦構(gòu)造設(shè)計相對缺失，對橋梁構(gòu)造設(shè)計尤其是獨柱墩橋梁的構(gòu)造設(shè)計不夠細致，橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中導(dǎo)致病害。

⑧獨柱墩驗算基于抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值大于一定限值來控制，對反力的驗算僅關(guān)注是否出現(xiàn)支座負反力。而對于結(jié)構(gòu)本身會不會出現(xiàn)破壞、支座產(chǎn)生負反力后關(guān)聯(lián)的病害如何發(fā)展并無明確分析。

維修方式是對汽車機件維修內(nèi)容及其時機的控制形式，其中又以定時維修及視情維修最為多見。定時維修是按規(guī)定的時間不查看技術(shù)狀況而進行拆卸的工作方式?！耙?guī)定的時間”可以是規(guī)定的間隔期、累計工作時間、日歷時間、里程和次數(shù)等。定時方式以時間為標(biāo)準，維修時機的掌握比較明確，便于安排生產(chǎn)，但針對性差、維修工作量大、經(jīng)濟性差。 視情維修是基于這樣一種事實進行的，大量的故障不是瞬時發(fā)生的，故障從出現(xiàn)至發(fā)生，總有一段時間出現(xiàn)異?，F(xiàn)象并有征兆可尋。因此，如果采用性能監(jiān)控或無損檢測等技術(shù)就可以找到跟蹤故障跡象的辦法，然后采取措施預(yù)防或避免發(fā)生故障，所以這種維修方式也被稱為預(yù)知維修或預(yù)兆維修方式。

3 獨柱墩橋梁病害調(diào)查實例及病害成因分析[7][8]

案例一：某互通匝道橋?qū)侏氈涨€橋梁，上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，孔跨布置為22.611+2×25+20（m），下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺、連續(xù)三根獨柱墩，基礎(chǔ)類型為擴大基礎(chǔ)。經(jīng)驗算，該橋最小抗傾覆系數(shù)2.14，不滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準。

圖2 箱梁橫斷面圖（cm）

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該橋雖然抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求，但該橋加大了端橫梁尺寸，增大了支座間距，同時在橋臺臺帽上增設(shè)了寬80cm、高100cm 的擋塊，為防止獨柱墩墩頂因局部承壓過大開裂增設(shè)了鋼套筒。該橋端橫梁存在斜向裂縫。該橋總體技術(shù)狀況良好，未見支座偏壓、梁體滑移、扭轉(zhuǎn)病害等傾覆傾向性病害。

對比現(xiàn)場調(diào)查情況與驗算報告發(fā)現(xiàn)：設(shè)計單位在對該橋進行抗傾覆驗算的計算分析過程中，并未考慮擋塊對橋梁抗傾覆的貢獻。而該橋端橫梁出現(xiàn)的斜向裂縫，是由于端橫梁剪力筋設(shè)計不合理造成，可能由于抗剪計算分析有誤導(dǎo)致。

與該橋設(shè)計基本一致的另外三座橋梁，抗剪傾覆系數(shù)亦不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，但未見支座偏壓、梁體滑移、扭轉(zhuǎn)病害等傾覆傾向性病害。

案例二：某互通匝道橋?qū)侏氈涨€橋梁，上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，孔跨布置為4×25（m），下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺、僅設(shè)置一根獨柱墩（獨柱墩與梁體間設(shè)置固定支座）、其余橋墩均為雙柱式橋墩。經(jīng)驗算，該橋抗傾覆系數(shù)8.2，遠高于現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該橋支座橫向限位裝置損壞，梁體橫向滑移6cm，橋墩蓋梁擋塊擠壓開裂，獨柱墩橫向傾斜5cm。該橋在出現(xiàn)上述病害的兩個月內(nèi)交通量較往常增大了2倍以上，行駛車輛多以49t貨車為主，橋上兩車道長時間布滿超速行駛的貨車。

該橋雖抗傾覆驗算系數(shù)滿足規(guī)范要求，但表現(xiàn)出明顯的傾覆傾向性病害，存在傾覆趨勢。而該病害形成原因與短期汽車荷載激增、車輛在曲線段行走時橫向離心力較大有明顯相關(guān)性。因梁體橫向滑移，獨柱墩與梁體設(shè)置了固定支座，導(dǎo)致獨柱墩被梁體拉歪。

4 獨柱墩橋梁設(shè)計及加固設(shè)計建議[9,10]

從上述兩個案例可以看出：獨柱墩橋梁破壞模態(tài)不只是傾覆一種；獨柱墩橋梁的抗傾覆性能也不是一個固定不變的狀態(tài)，它與橋梁本身的設(shè)計抗傾覆系數(shù)、抗傾覆構(gòu)造設(shè)計是否健全、橋梁是否存在橫向滑移及其他進程性病害有關(guān)。按照理想狀態(tài)計算，抗傾覆性能滿足要求的橋梁在出現(xiàn)病害或運營狀態(tài)發(fā)生改變的情況下亦存在傾覆的可能性；抗傾覆系數(shù)不滿足要求的橋梁，在做好相關(guān)構(gòu)造設(shè)計的前提下也可能永遠不會發(fā)生傾覆事件。

結(jié)合上述分析，對獨柱墩曲線橋梁設(shè)計、抗傾覆驗算及加固設(shè)計提出如下建議：

①驗算建模應(yīng)考慮固結(jié)墩的梁體內(nèi)力分布的影響，對于設(shè)定了固定支座、固結(jié)墩的獨柱墩橋梁，應(yīng)在建模時建立橋墩模型，綜合分析墩梁共同受力狀態(tài)下的內(nèi)力分布問題。

②對于驗算中出現(xiàn)支座負反力的橋梁，考慮到多數(shù)支座僅受壓并不受拉，應(yīng)將出現(xiàn)負反力的支座約束釋放，重新進行橋梁結(jié)構(gòu)受力分析及驗算。

③曲線橋梁受力較為復(fù)雜，除常見的彎剪受力外，受扭是曲線梁必須關(guān)注的問題，在本次調(diào)查中有部分曲線梁橋梁體通體出現(xiàn)底板、腹板、頂板斜裂縫，該裂縫與梁體抗扭承載力不足有關(guān)，而常規(guī)的梁單元模型無法準確模擬分析橋梁彎剪扭受力狀態(tài)，應(yīng)建立實體模型進行分析，抗傾覆驗算荷載不應(yīng)以設(shè)計荷載為準而應(yīng)以實際調(diào)查的代表性荷載為準。對投入運營的橋梁，還應(yīng)考慮已有橋梁病害對橋梁抗傾覆性能的影響。

④部分橋梁的病害與傾覆問題無關(guān)，表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)配筋不足、尤其是構(gòu)造設(shè)計考慮不全面的問題，如局部承壓配筋不足、截面突變位置未設(shè)置承托過渡、抗剪配筋不足等問題，這就要求設(shè)計師在設(shè)計過程中，不僅要關(guān)注結(jié)構(gòu)總體承載力設(shè)計驗算問題，更加要關(guān)注構(gòu)造設(shè)計，從歷年橋梁病害情況來看，構(gòu)造設(shè)計不足導(dǎo)致橋梁病害的問題遠比結(jié)構(gòu)設(shè)計承載力不足的問題更突出。

⑤抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與橋梁穩(wěn)定性問題并無明顯關(guān)聯(lián)性，在養(yǎng)護過程中要重點關(guān)注橋上荷載變化情況、擋塊擠壓破壞問題、梁體橫向滑移問題等。這些都是橋梁存在傾覆可能性的表征。此外，對于非獨柱墩橋梁，亦存在傾覆問題，橋梁是否會傾覆不應(yīng)以是否為獨柱墩為評判依據(jù)。

⑥獨柱墩橋梁設(shè)計，盡可能不要將固定支座設(shè)置在獨柱墩上，要考慮高大擋塊等抗傾覆構(gòu)造設(shè)計。

⑦對于墩梁固結(jié)的獨柱墩要進行詳細的承載力計算分析，做好獨柱墩的配筋設(shè)計，做好抗扭設(shè)計，根據(jù)墩梁固結(jié)處彎拉組合受力模式計算分析固結(jié)墩在梁體內(nèi)的錨固鋼筋的抗拔性能是否滿足要求。同時墩梁固結(jié)處應(yīng)考慮局部應(yīng)力激增導(dǎo)致的橋墩彎剪破壞問題，必要時增設(shè)套筒、局部增大截面等構(gòu)造設(shè)計。

⑧并非所有的抗傾覆穩(wěn)定性不滿足要求的獨柱墩橋梁均需增設(shè)蓋梁或支墩，應(yīng)結(jié)合調(diào)查情況，給與增設(shè)抗傾覆構(gòu)造（如擋塊等）、曲線外側(cè)增設(shè)支撐構(gòu)造、控制橋上車流量或車輛行駛軌跡等處置方式。對于必須增設(shè)蓋梁或支墩的橋梁，建議不改變橋梁原約束體系，梁底增設(shè)支座的方式會引起梁體內(nèi)力重分布，可能造成梁體其他病害，建議將蓋梁擋塊做大做強、支墩加高，使得擋塊或支墩扶在梁體翼緣下方，對梁體翼緣做局部補強處理，在梁體出現(xiàn)傾覆傾向時對梁體扭轉(zhuǎn)起到控制作用即可。曲線梁橋的傾覆通常見于向曲線外側(cè)傾覆，故為了控制該傾覆傾向，可在梁體曲線內(nèi)側(cè)適當(dāng)增加配重，如曲線外側(cè)設(shè)置鋼護欄、內(nèi)側(cè)設(shè)置混凝土護欄等。

⑨對于連續(xù)設(shè)置獨柱墩的橋梁，可以考慮將獨柱墩偏心設(shè)計，即將獨柱墩偏離梁體中心線布置，或偏向于曲線外側(cè)，或沿梁體中心線呈梅花形錯落布置。

5 結(jié)語

綜上所述，獨柱墩橋梁的抗傾覆研究也為其他橋梁的設(shè)計及病害分析提供了參考，對于存在傾覆性問題、橋梁弱墩的框架體系橋梁等的養(yǎng)護加固也具有參考意義。