陳 勇，楊培偉

(1.中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司,湖北 武漢 430074；2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430034；3.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引言

隨著服役年限的不斷增長(zhǎng)、車流量的增加以及越來(lái)越多的超載車輛出現(xiàn)，獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)營(yíng)質(zhì)量不斷降低，橋梁的抗傾覆性能不斷惡化，為消除橋梁運(yùn)營(yíng)安全隱患，提高獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆性能，保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)應(yīng)對(duì)部分車輛嚴(yán)重超載等極端情況，亟需對(duì)獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀進(jìn)行摸排，對(duì)抗傾覆性能不滿足現(xiàn)行規(guī)范[1]的橋梁進(jìn)行加固改造。

本文依托獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故案例和獨(dú)柱墩橋梁加固改造項(xiàng)目實(shí)例，從獨(dú)柱墩橋梁傾覆問(wèn)題的特點(diǎn)及原因分析，橋梁抗傾覆性能驗(yàn)算評(píng)估方法及橋梁傾覆機(jī)理，獨(dú)柱墩橋梁加固改造技術(shù)解決方案以及獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)維要點(diǎn)等幾個(gè)方面進(jìn)行全面梳理和研究，旨在為獨(dú)柱墩橋梁的安全運(yùn)營(yíng)提供比較全面的技術(shù)指導(dǎo)。

1 獨(dú)柱墩橋梁現(xiàn)狀

1.1 獨(dú)柱墩橋梁特點(diǎn)

獨(dú)柱墩橋梁具有結(jié)構(gòu)輕巧、線形流暢、占地量小、通透度大、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在受到地形、地物限制城區(qū)，獨(dú)柱墩橋梁成為優(yōu)選橋型。這類橋梁的上部結(jié)構(gòu)多采用連續(xù)箱梁，與簡(jiǎn)支梁相比，其整體性能好、行車舒適度高、跨越能力強(qiáng)，在立交橋、高架橋的分離式匝道或上下引橋的設(shè)計(jì)中占有重要地位。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，獨(dú)柱墩橋梁普遍具有如下技術(shù)參數(shù)特征： ①橋面寬度8～11m； ②橋跨數(shù)98%以上在5跨以內(nèi)； ③總聯(lián)長(zhǎng)約97%在200m以內(nèi)； ④約90%平曲線半徑≥90m。

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)材料類型，獨(dú)柱墩橋梁分為鋼箱梁獨(dú)柱墩橋梁、鋼-混凝土組合箱梁獨(dú)柱墩橋梁和混凝土箱梁獨(dú)柱墩橋梁，其中以混凝土現(xiàn)澆箱梁為主，其梁端多采用雙支座支撐，中跨分為墩梁固結(jié)、雙支座和單支座支撐方式，如圖1所示。

圖1 獨(dú)柱墩橋梁墩梁連接方式

通常城區(qū)范圍內(nèi)的獨(dú)柱墩橋梁因受橋墩頂面的空間限制，支座橫向間距較小，且橋面寬度不大，無(wú)明顯的車道劃分，車輛偏載情況較為普遍，因偏載引起支座反力變化較大，獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆能力薄弱的現(xiàn)象愈發(fā)凸顯。獨(dú)柱墩橋梁在使用過(guò)程中出現(xiàn)傾覆時(shí)，事先并無(wú)明顯征兆，屬于瞬態(tài)破壞形式，一旦發(fā)生將會(huì)危及民眾生命安全、造成巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失、產(chǎn)生極其惡劣的社會(huì)影響。

1.2 典型傾覆案例及原因分析

1)案例1 某立交橋上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土連續(xù)梁，跨徑布置為(17+22+22+17)m+30m，下部結(jié)構(gòu)為獨(dú)柱墩單支座形式。事故發(fā)生時(shí)橋面3輛單車約140t的車輛偏載通行，整體傾覆，倒塌后橋梁結(jié)構(gòu)整體性基本完好(見(jiàn)圖2a)。

2)案例2 某跨線橋上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支鋼箱梁、下部結(jié)構(gòu)為小間距雙支座花瓶墩，事故發(fā)生時(shí)3輛單車約100t的車輛偏載通行，主梁繞中心軸一側(cè)支座傾覆，傾覆后鋼主梁、混凝土橋墩無(wú)結(jié)構(gòu)性損害(見(jiàn)圖2b)。

圖2 獨(dú)柱墩橋梁傾覆案例分析

從以上案例看出，發(fā)生上部結(jié)構(gòu)整體傾覆的橋梁具有以下共同特征[2]： ①上部結(jié)構(gòu)為整體箱梁、下部結(jié)構(gòu)為獨(dú)柱墩； ②過(guò)渡墩和橋臺(tái)位置為雙支座，中跨橋墩采用單支座，其中簡(jiǎn)支梁橋端部雙支座間距較??； ③超過(guò)設(shè)計(jì)荷載的車輛集中偏載通行(見(jiàn)圖2c)；④事故發(fā)生前無(wú)明顯預(yù)兆、猝然發(fā)生，事后結(jié)構(gòu)整體性基本完好。

1.3 獨(dú)柱墩橋梁傾覆機(jī)理分析

在偏心荷載作用下，單向受壓支座依次脫離受壓狀態(tài)，箱梁支撐體系不再提供有效約束，箱梁扭轉(zhuǎn)變形趨于發(fā)散至橫向失穩(wěn)垮塌[3]，支座、下部結(jié)構(gòu)連帶損壞(局部)。根據(jù)獨(dú)柱墩橋梁傾覆案例的分析以及相關(guān)研究，其傾覆過(guò)程可表達(dá)為幾個(gè)典型過(guò)程，如圖3所示。

圖3 獨(dú)柱墩橋梁傾覆過(guò)程

2 獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆驗(yàn)算評(píng)估

獨(dú)柱墩橋梁上部結(jié)構(gòu)在傾覆的過(guò)程中存在2個(gè)明確特征狀態(tài)[4]： ①特征狀態(tài)1 箱梁的單向受壓支座開(kāi)始脫離受壓； ②特征狀態(tài)2 箱梁的抗扭支承全部失效[5]。

將這兩個(gè)特征狀態(tài)作為抗傾覆驗(yàn)算工況： ①達(dá)到特征狀態(tài)1 在作用基本組合下，箱梁橋的單向受壓支座處于受壓脫空狀態(tài)； ②達(dá)到特征狀態(tài)2 箱梁的抗扭支承全部失效時(shí)，箱梁處于受力平衡或扭轉(zhuǎn)變形失效的極限狀態(tài)。箱梁橋同一橋墩的一對(duì)雙支座構(gòu)成一個(gè)抗扭支承，起到對(duì)扭矩和扭轉(zhuǎn)變形的雙重約束；當(dāng)雙支座中一個(gè)支座豎向力變?yōu)?而失效后，另一個(gè)有效支座僅起到對(duì)扭矩的約束，失去對(duì)扭轉(zhuǎn)變形的約束，如圖4所示。

注：有效支座；●失效支座圖4 獨(dú)柱墩橋梁達(dá)到特征狀態(tài)2的過(guò)程

對(duì)箱梁的抗扭支承全部失效狀態(tài)，采用“穩(wěn)定作用效應(yīng)≥穩(wěn)定性系數(shù)×失穩(wěn)作用效應(yīng)”的表達(dá)式。箱梁橋處于特征狀態(tài)2時(shí)，各橋墩都存在1個(gè)有效支座，穩(wěn)定效應(yīng)和失穩(wěn)效應(yīng)按照失效支座對(duì)有效支座的力矩計(jì)算，如圖5所示。

注：有效支座；●失效支座圖5 獨(dú)柱墩橋梁特征狀態(tài)2時(shí)的有效支座示意

2.1 驗(yàn)算評(píng)估方法

根據(jù)JTG 3362—2018《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》第4.1.8條，持久狀況下，梁橋不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變，并應(yīng)同時(shí)滿足下列規(guī)定。

1)在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)。

2)按作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合時(shí)，整體式截面簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)應(yīng)符合下式要求：

穩(wěn)定效應(yīng)：∑Sbk,i=∑RGkili

失穩(wěn)效應(yīng)：∑Ssk,i=∑RQkili

式中：kqf為 抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取2.5，綜合考慮該簡(jiǎn)化方法的偏差系數(shù)和實(shí)際車輛密集排布情況下汽車荷載的放大系數(shù)后確定；li為第i個(gè)橋墩處失效支座與有效支座的支座中心間距；RGki為在永久作用下，第i個(gè)橋墩處失效支座的支反力，按全部支座有效的支承體系計(jì)算確定，按標(biāo)準(zhǔn)值組合取值；RQki為在可變作用下，第i個(gè)橋墩處失效支座的支反力，按全部支座有效的支承體系計(jì)算確定，按標(biāo)準(zhǔn)值組合取值，汽車荷載效應(yīng)(考慮沖擊)按各失效支座對(duì)應(yīng)的最不利布置形式取值。

2.2 某獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆驗(yàn)算分析

1)驗(yàn)算過(guò)程

以某互通匝道橋的獨(dú)柱墩橋梁第1聯(lián)為例進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，本聯(lián)橋梁為(23.761+3×20)m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。0，4號(hào)過(guò)渡墩采用雙柱墩，1～3號(hào)墩采用獨(dú)柱墩。箱梁為單箱雙室截面，頂板寬度為10.5m，底板寬度6.0m，懸臂2.0m，斜腹板，梁高1.5m。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖6所示。

圖6 匝道橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

按照J(rèn)TG 3362—2018《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》要求，對(duì)上部結(jié)構(gòu)抗傾覆進(jìn)行驗(yàn)算。橋涵設(shè)計(jì)荷載按汽車荷載公路-Ⅰ級(jí)考慮，在恒荷載和二期荷載以及汽車荷載沖擊系數(shù)μ2=0.45條件下進(jìn)行驗(yàn)算。按單車道偏載和雙車道偏載工況[6-7]分別進(jìn)行驗(yàn)算，偏載布置如圖7所示。

圖7 獨(dú)柱墩橋偏載布置

2)驗(yàn)算結(jié)論

汽車單、雙車道偏載，抗傾覆驗(yàn)算如表1，2所示。可見(jiàn)失效效應(yīng)發(fā)生于特征狀態(tài)2，其抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)kqf單車道偏載時(shí)為1.86，1.85；雙車道偏載時(shí)為1.78，1.77，均小于2.5，因此均不滿足要求。

表1 單車道偏載驗(yàn)算結(jié)果

表2 雙車道偏載驗(yàn)算結(jié)果

3 獨(dú)柱墩抗傾覆技術(shù)解決方案

3.1 獨(dú)柱墩加固改造方案

影響?yīng)氈諛蛄嚎箖A覆性能的主要因素為支座橫向間距[8]、抗扭跨徑、平曲線半徑、邊中跨比。針對(duì)既有運(yùn)營(yíng)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆性能驗(yàn)算不滿足要求，提出以下加固改造方案。

3.1.1中墩改為墩梁固結(jié)

將跨中單支座橋墩改造為墩梁固結(jié)(見(jiàn)圖8)，上部結(jié)構(gòu)的靜力平衡問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榻孛娴膹?qiáng)度問(wèn)題。

圖8 墩梁固結(jié)示意

但因原來(lái)由支座適應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系變形改為橋墩協(xié)調(diào)變形，將增加墩梁固結(jié)區(qū)域構(gòu)件的應(yīng)力水平，因此該方案僅適用于高墩且溫度效應(yīng)和收縮徐變效應(yīng)不顯著的情況。

3.1.2增設(shè)墩柱

在獨(dú)柱墩既有承臺(tái)(或?qū)⒃谐信_(tái)擴(kuò)大，或增加樁基)兩側(cè)增設(shè)墩柱，由單柱式改為多柱式，并設(shè)置橫向連接系與既有獨(dú)柱墩連接(見(jiàn)圖9)。

圖9 獨(dú)柱墩增設(shè)墩柱抗傾覆

3.1.3加大截面法

將獨(dú)柱墩通過(guò)植筋立模澆筑混凝土，加大并改變橋墩截面形式，一般做法是將獨(dú)柱墩變成板式墩(見(jiàn)圖10)或花瓶墩，在原支座兩側(cè)增加2個(gè)支座。

圖10 獨(dú)柱墩變板式墩

3.1.4增設(shè)蓋梁法

在橋墩墩頂增加蓋梁，保留原支座，橫橋向再增加2個(gè)支座，為減小增加構(gòu)件自重對(duì)原橋恒荷載的影響，蓋梁一般采用鋼結(jié)構(gòu)形式(見(jiàn)圖11)。主要改造措施是在橋墩頂部通過(guò)牛腿方式安裝鋼抱箍，采用螺栓將其箍緊，鉆孔安裝錨栓，注入粘鋼膠粘鋼處理。待鋼蓋梁施工完成后，安裝新增支座并與箱梁密貼。

圖11 鋼蓋梁

3.1.5增設(shè)抗傾覆裝置

在獨(dú)柱墩與箱梁之間通過(guò)設(shè)置剛性或者柔性抗拉拔裝置，如對(duì)拉鋼筋、耳釘、拉桿、拉板塊等(見(jiàn)圖12)，限制支座脫空進(jìn)而發(fā)生橋梁傾覆事故，一般適用于雙支座獨(dú)柱墩。

圖12 抗傾覆裝置

3.1.6鋼箱梁增加配重法

獨(dú)柱墩鋼箱梁自重輕，抗傾覆性能差，一般在墩頂附近和曲線半徑較小的曲線內(nèi)側(cè)箱室內(nèi)灌注混凝土作配重，達(dá)到提高橋梁抗傾覆性能要求。

3.2 抗傾覆支撐點(diǎn)傳力功能實(shí)現(xiàn)

作為抗傾覆支撐，是在不改變?cè)瓨騻髁Ψ绞綏l件下作為預(yù)防性作用的支撐。獨(dú)柱墩一般為連續(xù)梁的中墩，所以抗傾覆的支撐不能限制橋梁梁體的橫縱向位移活動(dòng)，也不能改變橋梁正常運(yùn)營(yíng)條件下原支座的受力狀況。

增加的支座需滿足： ①雙向活動(dòng)功能； ②支座要與梁底始終保持密貼以防止橋梁正常運(yùn)營(yíng)下梁底與支座頻繁動(dòng)態(tài)接觸，并且不能受力(相對(duì)原支座而言)。具體措施如下。

1)采用四氟板橡膠支座 為雙向活動(dòng)支座，滿足雙向活動(dòng)需要。通過(guò)二次灌漿的方法實(shí)現(xiàn)支座與梁體密貼，具體做法是在增設(shè)的墩柱澆筑至頂部約50cm時(shí)，先采用千斤頂將支座預(yù)頂使之與梁底密貼后進(jìn)行固定鎖死，再進(jìn)行支座底部二次灌漿。

2)采用可調(diào)高支座 用可調(diào)高支座安裝到位后向支座內(nèi)腔壓入合成材料實(shí)現(xiàn)一定(遠(yuǎn)小于原支座力)的預(yù)頂力，確保支座與梁底始終密貼，支座結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 可調(diào)高支座

4 獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)維合理化建議

1)針對(duì)抗傾覆系數(shù)不能滿足規(guī)范要求的獨(dú)柱墩橋梁，實(shí)施加固改造前建議采取布置限重標(biāo)志方式對(duì)可能通行的重載車輛進(jìn)行控制，同時(shí)安裝視頻監(jiān)控設(shè)備予以全面監(jiān)控。

2)加強(qiáng)擬加固改造橋梁的日常檢查頻率，并針對(duì)有傾覆趨勢(shì)的特征表現(xiàn)，如橋梁端部伸縮縫出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、護(hù)欄發(fā)生高度方向錯(cuò)位、梁體端部在車輛經(jīng)過(guò)時(shí)發(fā)出異響、支座脫空等進(jìn)行詳細(xì)觀察和記錄。

3)為長(zhǎng)期有效掌控獨(dú)柱墩橋梁的工作狀態(tài)，建議針對(duì)典型橋梁建立智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[9]，實(shí)時(shí)獲取其表征抗傾覆性能的特征數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)獨(dú)柱墩橋梁傾覆問(wèn)題的特點(diǎn)及原因進(jìn)行分析，基于橋梁抗傾覆性能驗(yàn)算評(píng)估方法及橋梁傾覆機(jī)理，提出多種滿足一定條件下的獨(dú)柱墩抗傾覆加固改造的技術(shù)解決方案，并就獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理提出合理化建議，對(duì)獨(dú)柱墩橋梁的安全運(yùn)營(yíng)提供了技術(shù)支持。