胡祥森，鄭可卿，余茂峰

（浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310030）

1 工程概況

早期公路設(shè)計(jì)時(shí)考慮到外形美觀、已建工程的空間限制、防洪影響、工程經(jīng)濟(jì)性等因素，橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了較多的獨(dú)柱墩。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，載重貨車比例不斷提高，超載現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆安全富余度不足的問(wèn)題日益突出。獨(dú)柱墩橋梁在超載車輛作用下易出現(xiàn)支座脫空、主梁滑移等不利情況，甚至發(fā)生橋梁失穩(wěn)傾覆的安全事故，造成較大的社會(huì)影響。

某高速公路2004年左右建成，里程長(zhǎng)達(dá)120 km，互通、樞紐眾多，雖然在2011年進(jìn)行了初次加固，但目前仍存在大量獨(dú)柱墩橋梁，且該高速交通繁忙、重載交通占比高、荷載工況復(fù)雜，對(duì)該高速上的獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行抗傾覆加固有著很強(qiáng)的必要性和迫切性。結(jié)合《公路危舊橋梁排查和改造技術(shù)要求》（交辦公路函〔2021〕321號(hào)）（以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)要求》）及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條對(duì)橋梁抗傾覆提出的新要求[1，2]，本文對(duì)該高速公路獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆加固設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了深入研究，可為類似工程提供借鑒。

2 加固設(shè)計(jì)原則

2.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)本項(xiàng)目的特點(diǎn)，在本次加固設(shè)計(jì)中貫徹以下總體設(shè)計(jì)原則：

1）根據(jù)“安全第一、科學(xué)評(píng)估、突出重點(diǎn)、分類施策”的總體原則開展本項(xiàng)目獨(dú)柱墩加固改造工作。

2）根據(jù)排查及驗(yàn)算結(jié)果，對(duì)同一聯(lián)中連續(xù)設(shè)置3個(gè)及以上獨(dú)柱墩的、抗傾覆驗(yàn)算不滿足相關(guān)規(guī)定或有嚴(yán)重抗傾覆相關(guān)病害的橋梁進(jìn)行抗傾覆加固提升。

3）獨(dú)柱墩橋梁的加固改造應(yīng)考慮橋梁的功能性要求、施工可實(shí)施性、檢測(cè)養(yǎng)護(hù)要求和景觀要求，結(jié)合具體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

4）作為加固工程，在技術(shù)方案的選擇上，應(yīng)注意節(jié)約資源、減少對(duì)交通的干擾。

2.2 排查驗(yàn)算原則

獨(dú)柱墩橋梁梁體傾覆病害的發(fā)生具有明顯的階段性，橋梁結(jié)構(gòu)在行車偏載影響下，表現(xiàn)出某一單向支座脫空現(xiàn)象，此為傾覆第一階段，也是傾覆過(guò)程的開始；隨著荷載的持續(xù)增加，單向支座依次持續(xù)脫空，邊界條件呈現(xiàn)非線性，致使橋梁上部結(jié)構(gòu)傾覆力矩達(dá)到或超出橋梁結(jié)構(gòu)自重所具有的抗傾覆力矩而引發(fā)梁體失穩(wěn)，此為傾覆第二階段，也是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界狀態(tài)；之后，上部結(jié)構(gòu)的支撐體系不再提供有效約束，上部結(jié)構(gòu)變形或受力失穩(wěn)，以致傾覆、垮塌，支座、下部結(jié)構(gòu)連帶損壞，是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的最終狀態(tài)。

獨(dú)柱墩橋梁典型傾覆破壞過(guò)程如圖1所示。

圖1 獨(dú)柱墩橋梁典型傾覆破壞過(guò)程

現(xiàn)行規(guī)范通過(guò)控制橋梁結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)特征狀態(tài)1及特征狀態(tài)2來(lái)避免橋梁梁體傾覆破壞的出現(xiàn)。

《技術(shù)要求》規(guī)定，公路獨(dú)柱墩橋梁驗(yàn)算應(yīng)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》第4.1.8條進(jìn)行，要求：

1）橋梁在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)。

2）在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合下，整體式梁橋的抗傾覆安全性系數(shù)應(yīng)不小于2.5。

《技術(shù)要求》同時(shí)規(guī)定，汽車荷載取用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行；對(duì)同一聯(lián)中連續(xù)3個(gè)及以上橋墩均為獨(dú)柱墩的橋梁及驗(yàn)算不滿足或有嚴(yán)重抗傾覆相關(guān)病害的橋梁，應(yīng)判定為有傾覆安全風(fēng)險(xiǎn)。該項(xiàng)目在驗(yàn)算時(shí)主要遵循以下原則：

1）驗(yàn)算時(shí)汽車荷載采用JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定的公路-Ⅰ級(jí)荷載[3]。

2）按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條驗(yàn)算兩種特征狀態(tài)，驗(yàn)算特征狀態(tài)1時(shí)（單向支座保持受壓狀態(tài)）取基本組合；驗(yàn)算特征狀態(tài)2時(shí)（抗傾覆系數(shù)）取標(biāo)準(zhǔn)組合。恒載計(jì)算時(shí)需考慮自重、收縮徐變、基礎(chǔ)變位等效應(yīng)并按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行組合。

3）根據(jù)《技術(shù)要求》及JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)抗傾覆的兩種特征狀態(tài)時(shí)，布置單列車時(shí)，橫向車道布載系數(shù)取1.2。

4）計(jì)算時(shí)有關(guān)活載及其組合按現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定執(zhí)行。

5）曲線橋梁需考慮內(nèi)外側(cè)腹板長(zhǎng)度、護(hù)欄長(zhǎng)度、鋼束長(zhǎng)度等的差異。

6）一聯(lián)中有墩梁固結(jié)的，應(yīng)連同下部結(jié)構(gòu)共同建模，做好抗傾覆及墩柱承載力的核查。

7）預(yù)應(yīng)力、施工階段對(duì)支座反力的分配有一定影響，計(jì)算時(shí)予以考慮。

具體抗傾覆驗(yàn)算可采用橋梁博士或Midas Civil軟件，按空間桿系有限元模型分析方法進(jìn)行計(jì)算，很多文獻(xiàn)已對(duì)此進(jìn)行了論述[4]，其過(guò)程本文不再詳述。

3 加固方案選擇

根據(jù)獨(dú)柱墩的傾覆特點(diǎn)，獨(dú)柱墩橋梁的加固措施一般可以從改變結(jié)構(gòu)破壞模式（如單支座改為墩梁固結(jié)）、提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能（如增大墩臺(tái)支座間距或單點(diǎn)支承改為多點(diǎn)支承）和設(shè)置冗余約束（如設(shè)置限位構(gòu)造、抗拔裝置）3個(gè)方面考慮。但改變結(jié)構(gòu)破壞模式適用條件較嚴(yán)格，對(duì)立柱結(jié)構(gòu)上下部承載力有影響；而設(shè)置冗余約束不能從根本上提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能，且其可靠性和耐久性較難保證（湖北黃石花湖互通獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故即是采用了設(shè)置抗拔措施的冗余約束的加固方法），所以本項(xiàng)目加固改造盡量保證結(jié)構(gòu)支承體系不變，考慮采用更加可靠的提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的措施，即將同一橋墩原來(lái)的單點(diǎn)支承改為多點(diǎn)支承（或?qū)⑿￠g距雙支座間距拉大，改為大間距多點(diǎn)支承）的方法，以構(gòu)成結(jié)構(gòu)的抗扭支承，加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)扭矩和扭轉(zhuǎn)變形的約束，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗傾覆能力。

考慮該高速公路的獨(dú)柱墩橋梁均設(shè)置有承臺(tái)結(jié)構(gòu)，且在2011年部分獨(dú)柱墩橋梁已進(jìn)行了初次加固，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，本文針對(duì)性地提出了4種加固方案進(jìn)行比較。

3.1 方案一：墩柱拼寬

采用植筋方式，加大橋墩截面，并在墩頂處設(shè)置左右外挑的牛腿，在牛腿上新增支座，形成多點(diǎn)支承（見圖2）。

圖2 方案一示意圖

對(duì)原來(lái)沒(méi)有在承臺(tái)上進(jìn)行墩柱拼寬加固處理的橋墩，在橋下條件滿足且樁基驗(yàn)算通過(guò)的情況下，一般均可采用該方案。該方案增大了橋墩截面，對(duì)原來(lái)設(shè)固定支座、墩高較高或橫向彎矩較大的墩，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.2 方案二：增設(shè)鋼蓋梁

制作鋼蓋梁、鋼套箍，在墩頂打孔并植入螺栓，安裝鋼蓋梁；在立柱上鑿毛，分段安裝鋼套筒并注漿；在鋼蓋梁頂左右增設(shè)支座，鋼構(gòu)件安裝完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行防腐處理（見圖3）。

圖3 方案二示意圖

該方案通過(guò)在鋼蓋梁上增設(shè)支座形成多點(diǎn)支承；立柱新增鋼套筒可和蓋梁共同承擔(dān)鋼蓋梁傳遞下來(lái)的豎向力，同時(shí)鋼套筒可確保立柱安全。該方案結(jié)構(gòu)輕盈，但增加了橋墩受力，養(yǎng)護(hù)要求稍高。該方案在橋?qū)挷淮?、橋墩受力?yàn)算滿足時(shí)較適用。

3.3 方案三：橫梁接長(zhǎng)并增設(shè)鋼蓋梁

植筋，接長(zhǎng)上部箱梁的橫梁；在原來(lái)已拼寬加固過(guò)的墩柱墩頂打孔并植入螺栓，安裝鋼蓋梁；在鋼蓋梁頂左右增設(shè)支座，鋼構(gòu)件安裝完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行防腐處理（見圖4）。

圖4 方案三示意圖

該方案通過(guò)在鋼蓋梁上增設(shè)支座，將小間距雙支座間距拉大，改為大間距多點(diǎn)支承。該方案結(jié)構(gòu)輕盈，但養(yǎng)護(hù)要求稍高。該方案可以在已加固過(guò)的橋墩上進(jìn)行二次加固時(shí)使用。

3.4 方案四：橫梁接長(zhǎng)并新增立柱樁基

在原獨(dú)柱墩兩側(cè)打設(shè)新增的立柱、樁基，樁基施工完成后進(jìn)行植筋，接長(zhǎng)上部箱梁的橫梁；最后在兩側(cè)柱頂各設(shè)置一個(gè)新增支座（見圖5）。

圖5 方案四示意圖

橋墩橫橋向新增立柱以確保工程結(jié)構(gòu)安全，新增設(shè)支座通過(guò)適當(dāng)拉大支承間距，提高梁端梁體抗扭能力。

該方案后期養(yǎng)護(hù)要求低，可用于其他加固方案設(shè)置后樁基承載力驗(yàn)算不能滿足的情況，也適用于原墩柱已進(jìn)行加固處理的情況。但該方案橋下占用空間較大，樁基施工時(shí)對(duì)凈高要求較高，采用該方案時(shí)需嚴(yán)格核查樁基布置及施工空間。

3.5 方案比較

從施工便利性、交通影響、經(jīng)濟(jì)性及景觀效果等方面，對(duì)上述加固方案進(jìn)行比較，比較情況見表1。

表1 獨(dú)柱墩加固方案比較表

從比較情況可以看出，方案一施工便利、交通影響小、經(jīng)濟(jì)性好、后期養(yǎng)護(hù)方便且景觀影響小，針對(duì)本項(xiàng)目獨(dú)柱墩接承臺(tái)的情況也較適用，故選擇方案一（墩柱拼寬）作為本項(xiàng)目加固時(shí)的推薦方案；方案二結(jié)構(gòu)輕盈，基本不增加墩身質(zhì)量，對(duì)樁基受力及落墩空間要求不高，但造價(jià)稍高，在方案一難以采用時(shí)，方案二（增設(shè)鋼蓋梁）作為可選方案進(jìn)行補(bǔ)充。

本項(xiàng)目加固設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合橋位處的具體條件，考慮下穿情況、橋下空間、地形條件及原橋梁設(shè)計(jì)情況等，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，采用“一橋一設(shè)計(jì)”的方法，按以下原則選擇合適的加固方案：

1）一般情況下，橋下空間及樁基受力滿足時(shí)，采用方案一（墩柱拼寬）。

2）當(dāng)不能采用方案一時(shí)，在橋墩受力滿足的情況下，采用方案二（增設(shè)鋼蓋梁）。

3）當(dāng)采用方案一和方案二仍不能滿足要求時(shí)，可根據(jù)具體情況采用方案三（橫梁接長(zhǎng)并增設(shè)鋼蓋梁）或方案四（橫梁接長(zhǎng)并新增立柱樁基）。

結(jié)合排查驗(yàn)算情況及橋位處具體條件，最終該高速公路橋梁獨(dú)柱墩加固時(shí)，大部分橋墩采用了方案一（墩柱拼寬）進(jìn)行加固，個(gè)別位于中分帶內(nèi)或橋下空間不足的情況采用了方案二（增設(shè)鋼蓋梁），沒(méi)有采用方案三或方案四的情況。

該工程最終加固的獨(dú)柱墩橋梁共56聯(lián)；經(jīng)加固，這些獨(dú)柱墩橋梁的基本組合最小反力由-383.1 kN提升至42 kN，最小抗傾覆系數(shù)由1.48提升至4.1。

4 推薦方案設(shè)計(jì)

推薦的墩柱拼寬加固方案為較復(fù)雜的新老混凝土接合的牛腿式受力，為確保大面積應(yīng)用的加固方案安全可靠，本文對(duì)推薦的墩柱拼寬方案進(jìn)行了詳細(xì)研究。

4.1 方案設(shè)計(jì)

立柱橫向加寬，并在頂部1.7 m高度范圍內(nèi)橫向外挑設(shè)牛腿；縱橋向每側(cè)加厚約25 cm；在墩柱加厚范圍內(nèi)頂部牛腿處每側(cè)設(shè)置2排25 mm橫向拉桿，豎向間距10 cm，單側(cè)5層共10根；在墩柱加寬范圍內(nèi)頂部牛腿處設(shè)置橫向錨固鋼筋并植入原立柱內(nèi)。為方便安裝新增支座，墩頂55 cm高度范圍內(nèi)的混凝土采用后澆，待新增支座安裝完畢后再進(jìn)行澆筑。墩柱拼寬方案的主要構(gòu)造圖詳見圖6；以原結(jié)構(gòu)獨(dú)柱墩直徑1.3 m為例，改造后墩頂寬度4.1 m，墩底寬度2.5 m，墩厚1.8 m，新增支座間距3.2 m。

圖6 墩柱拼寬方案構(gòu)造示意圖

4.2 方案驗(yàn)算

為驗(yàn)證加固方案的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及評(píng)價(jià)橋墩新老混凝土接合面的受力性能，本文采用ABAQUS計(jì)算軟件建立了實(shí)體有限元模型對(duì)推薦的加固方案進(jìn)行了分析。

模型按照支座、圓柱、新增混凝土、新老混凝土交界面以及鋼筋5部分建模；混凝土截面之間采用綁定連接，鋼筋采用內(nèi)置算法內(nèi)置于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)；新老混凝土交界面為模型連接單元，根據(jù)試算結(jié)果確定是否采取剛度折減，以模擬新老混凝土連接；模型邊界條件為橋墩底部固結(jié)。

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，分別按照3 MN、3.5 MN和4 MN在新增支座位置進(jìn)行加載計(jì)算。實(shí)體有限元模型各結(jié)構(gòu)應(yīng)力示意圖如圖7所示。

圖7 實(shí)體有限元模型各結(jié)構(gòu)應(yīng)力示意圖

由表2可知，各結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，均滿足要求；推薦的加固方案安全、可行。

表2 各結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值與材料強(qiáng)度對(duì)比表MPa

5 結(jié)語(yǔ)

早期公路設(shè)計(jì)時(shí)大量采用了獨(dú)柱墩結(jié)構(gòu)橋梁，近年來(lái)獨(dú)柱墩橋墩的穩(wěn)定性問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，多次發(fā)生超載導(dǎo)致橋梁倒塌、傾覆、落梁等事故，引發(fā)了社會(huì)的廣泛關(guān)注，造成了較大影響。本文結(jié)合《公技術(shù)要求》及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條對(duì)橋梁抗傾覆提出的新要求，對(duì)某高速公路獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆加固從設(shè)計(jì)及驗(yàn)算原則、加固方案選擇到加固方案設(shè)計(jì)及計(jì)算做了詳細(xì)介紹，可為類似工程提供借鑒。