独柱墩单支点桥倾覆分析及加固方法研究

刘 捷， 谢雪峰

（1．乌海市公路工程质量鉴定站，内蒙古 乌海 016000；2．天津市市政工程设计研究院，天津 300092）

城市道路的跨线桥、立交、高架中常使用独柱式桥墩，以往设计中，比较重视结构的承载能力，容易忽略偏心超载作用对桥梁安全的影响。我国车辆超限超载现象普遍存在，甚至有的超载高达200%～300%[1～2]。超载导致桥梁处于设计荷载工作状态之外，其支撑体系可能发生改变。独柱墩单支点桥梁属于抗倾覆不利的支撑体系，超载下容易出现倾覆危险。

早期桥梁抗倾覆分析，一般假设梁体为刚体，进而分析其抗倾覆能力。在此假设下，选取支点断面进行抗倾覆分析[3]。实际情况梁体与刚体假设不符，在未达到刚体扭转荷载时，边支座已经脱空，其支撑体系发生改变。

施颖等[4]认为：桥梁倾覆是支座逐个脱空的过程，以最外侧未脱空支座的连线为倾覆轴，桥梁以此轴线发生倾覆。李攀等[2]认为：独柱墩匝道桥事故有两种破坏机理，倾覆失稳和支座失效；倾覆是结构体系倾覆力矩大于抗倾覆力矩导致的失稳状态；支座失效则是扭矩是由两端的双支座承受，当其中一个支座脱空时，另外支座的反力迅速增大，若支座承载力不足，则发生压溃破坏，导致倾覆。杜磊[5]则以实际工程为例，考虑梁的弯扭效应并比较了抗倾覆轴算法与空间有限元算法的差异，结果表明空间有限元算法计算结果更安全，与实际情况更贴合。相宏伟[6]则考虑弯扭效应，分析了不同曲率半径下桥梁的抗倾覆性能，结论是对于中墩采用独柱单支座的桥梁，均应重点考虑倾覆稳定问题；此类支撑恒载较小的钢箱梁、钢-混凝土组合箱梁等结构尤其需要重视抗倾覆问题。孙全胜等[7]认为桥梁倾覆的过程开始于桥台或连接墩支座脱空，与此同时结构支撑体系及荷载分配发生改变，因此在车载下不应发生支座脱空，得出曲线桥采用单支座支撑容易在桥台处出现脱空的结论，因此建议采用双支座支撑改善曲线桥梁受力。汪海涛[8]根据实际工程，建立Midas空间梁单元模型，分析了一座减隔布置单支点的匝道桥，结果表明在规范荷载下均未出现负反力，满足抗倾覆性能要求，在1.3倍规范荷载下，各支座最小反力均出现负的拉力，结构体系会随之改变。

以上研究表明，桥梁的抗倾覆认识逐步加深，已经从刚体分析转变为考虑弯扭的弹性体分析。

1 桥梁倾覆事故统计

2007年以来，内蒙古、天津、浙江、黑龙江、广东、江苏等地相继发生匝道桥梁体横桥向倾覆失稳垮塌的事故。见表1。

表1 2007年以来超载倾覆桥梁统计[1～3，8]

续表1

事故的直接原因均是严重超载，但事故桥梁均为相似的单支点支撑方式，因此研究提升桥梁抗倾覆能力的方法，对以后桥梁设计和现有桥梁管养具有积极的指导意义。

2 桥梁加固的主要方法

1）方案一：在独柱墩横桥向两侧增设墩柱。在原墩柱两侧各增设一根墩柱，新增墩柱通过植筋与原承台连接，见图1。此方法有可能需要增大既有承台尺寸[1～2，5]。

图1 增设墩柱加固法

新增墩柱材质一般采用钢管混凝土柱。需要注意的是，必须拆除原墩柱上的支座，在新增墩柱顶部增设支座，才能保证新支座起到作用。通过增加抗扭支承约束，理论上减小了全桥的活载扭矩设计值，降低了桥台或连接墩位置出现负反力的可能性，提高了桥梁结构的抗倾覆稳定性。

2）方案二：增设混凝土盖梁或钢盖梁。通过在原墩柱支撑端增设盖梁，把独柱单支座支撑体系改变为双支座支承体系，见图2。新增盖梁通过植筋或套箍的方式与原墩柱进行连接[1～2，5]。

新增混凝土盖梁一般设置后张预应力改善盖梁受力状态。新增钢结构盖梁通过植栓和套箍的方式与原墩柱相连接。无论是新增混凝土盖梁还是钢筋钩盖梁，均需保证后加支座与原有支座协同受力，一般采用顶升法放置后设支座。适当加大后设支座的承载力，撤去原支座，受力更加明确，抗倾覆性能提升更高。

3）方案三：在横向增加墩柱尺寸，将单支座改为双支座，见图3。多用于原墩柱为矩形墩[5,9]。

图3 墩柱加宽加固法

利用原有墩柱下部的承台，将现有的墩柱加粗，主要加粗横桥向。在加宽后墩柱的顶面，通过顶升撤去原有单支座，新设双支座，改单支座支撑体系为双支座抗扭支撑体系，提高结构的抗倾覆稳定性。

3 结论

1）桥梁倾覆事故的直接原因是超载，但从设计角度，可以改进设计、加大抗倾覆安全储备、降低风险，具有重要的现实意义。

2）抗倾覆分析需从弹性体角度出发，以扭心倾覆轴为依据进行分析，才能更接近实际情况，更具指导意义。

3）既有单支点桥梁加固设计方案3种方式需保证新增支座与既有支座协同受力，在具备条件的情况下，撤去原有支座对抗倾覆更为有利。