独柱墩桥梁横向抗倾覆研究

李怀明

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

一段时期以来，由于桥下视野通透性好、桥梁外形轻巧美观、经济节约的优点，独柱墩成为了城市高架桥、互通匝道桥以及跨线桥下部构造的主要型式。近些年来，在多列超载车辆偏载行驶时，部分独柱墩桥梁在毫无征兆的情况下，桥梁上部发生整体横向失稳，造成了严重的人员伤亡及经济损失。依据现行规范对独柱墩横向稳定性验算的具体规定，计算分析了两座典型独柱墩现浇箱梁桥，提出稳定性验算思路，并对存在安全隐患的结构提出针对性的应对措施，使其满足规范规定。希望能够对横向稳定性较差的独柱墩桥梁结构加固及设计提供可靠建议。

1 工程概况

梳理了近期已建公路桥梁结构形式，计算分析了两座典型独柱墩桥梁。

案例1 为某互通匝道桥，桥宽7.75m。第一联桥平面位于直线段上，左右幅跨径布置均为5×20m。

0# 桥台处设置两根D120cm 圆形立柱，中心间距314cm，如图1C-C 断面。桥墩方面，1#～4#桥墩处均设置一根D120cm 圆形立柱，如图1A-A 断面；5#桥墩处均设置两根D100cm 圆形立柱，中心间距314cm，如图1B-B断面。

案例2 为某主线跨线桥，桥面宽度为12m，结构布跨为（30+40+30+25）m。

图1

图2

0#和4#桥台处设置两根D150cm 圆形立柱，横向中心间距550cm，纵向中心距离为450cm，如图2C-C 断面。桥墩方面，1#桥墩设置一根D200cm 圆形立柱，如图2AA 断面；2#～3#桥墩处均设置两根D160cm 圆形立柱，中心间距550cm，如图2B-B 断面。

表1 标准荷载验算表

表2 考虑特殊荷载验算表

2 横向抗倾覆验算内容

（1）按现行规范规定的荷载标准、稳定性验算相关条文规定进行验算，结构必须满足相关规范要求。

a.稳定系数是否小于2.5；b.支反力是否出现拉力。

备注：应考虑温度、支座沉降等因素影响；综合考虑该简化分析方法的偏差系数和实际车辆密集排布情况下汽车荷载效应的放大系数，确定横向抗倾覆稳定性系数为2.50，而并不代表车辆可以超载2.5 倍标准车辆。

（2）考虑到非高速公路交通量大、重车比例大、超载严重的因素，建议按照极端条件进行布载后，控制桥梁的支座压力、抗倾覆安全系数、支座转角及固结桥墩受力验算（特殊荷载验算）。

a.在作用基本组合下，非受拉支座应始终保持受压状态。当车道荷载分项系数采用3.4 时（下同），非受拉支座宜始终为受压状态；b.当只采用非受拉支座时，抗倾覆稳定性系数应不小于5；c.在作用基本组合下，支座转角应小于0.02rad。

3 验算结果及原因分析

3.1 验算结果

按规范荷载验算，案例1 桥梁结果见表1。

按特殊荷载标准验算，案例1 桥梁结果见表2。

按规范荷载验算，案例2 桥梁结果见表3。

按特殊荷载标准验算，案例2 桥梁结果见表4。

（1）按规范荷载验算结果如下所示：

a.特征状态1 验算中，案例1 桥梁0#墩和5# 墩支座出现拉力，不满足规范；案例2 桥梁没有支座出现拉力，满足规范。b.特征状态2 验算中，案例1 桥梁稳定系数为1.36，不满足规范要求；案例2 桥梁稳定系数大于2.5，满足规范。

（2）按特殊荷载验算结果如下所示：

a.特征状态1 验算中，案例1 桥梁0#墩和5#墩支座出现拉力，不满足规范；案例2 桥梁0#墩出现拉力，不满足规范。b.特征状态2 验算中，案例1 桥梁稳定系数小于5，不满足规范；案例2 桥梁稳定系数大于5，满足规范。

表3 标准荷载验算表

表4 考虑特殊荷载验算表

3.2 原因分析

（1）案例1 桥梁上部为现浇箱梁，过渡墩为双柱墩双支座，支座间距为3.14m，连续墩均为单支座独柱墩。在抗倾覆计算中，仅边墩支座能够提供扭矩，故边支座较易出现拉力、抗倾覆系数较小，按规范标准验算下，抗倾覆计算不满足规范要求。（2）案例2 桥梁上部为现浇箱梁，仅1 号桥墩为独柱墩，其他桥墩均为双支座双柱墩，支座间距为5.5m。在计算中，仅1 号桥墩无法提供抗倾覆扭矩，其他桥墩支座均为抗扭支座，桥墩支座相对不易出现拉力且桥梁抗倾覆系数相对较大，故按规范荷载要求验算下，抗倾覆计算能满足规范要求，但是靠近独柱墩位置支座压力及稳定性系数较小。由于桥台支座恒载作用下支座反力较小，在特殊荷载作用下，桥台支座出现了拉力，不满足特殊荷载状态1 要求。

4 建议

对不满足现行规范桥梁倾覆稳定性系数的独柱墩桥梁，结合既有桥梁下部结构方案，建议采用以下几种方法：

（1）方案1：稳定系数不满足要求的结构基本采用双桩+承台的独柱墩结构，可在承台上植筋，桥墩两侧设置钢管混凝土对箱梁进行支撑，将独柱墩调整为3 柱墩，正常使用时独柱墩承受荷载，发生可能引起倾覆的荷载时钢管混凝土墩柱参与受力，避免桥梁发生倾覆。

图3 增设钢管混凝土墩柱（方案1）

图4 增设盖梁（方案2）

该方案优点是施工便捷，造价经济；结合原设计独柱墩顶箱梁配筋模式情况下，该方式对上部结构受力影响小。缺点是桥梁景观较差。

（2）方案2：将独柱墩改为独柱加盖梁形式，盖梁上布设两个防倾覆支座，正常使用时独柱墩承受荷载，发生可能引起倾覆的荷载时钢盖梁支座对箱梁进行支撑。但应对此类独柱桥墩进行验算。

该方案优点是桥下景观较好，结合上部箱梁横梁配筋形式，未改变墩柱墩顶受力性能。缺点是施工较复杂。

（3）方案3：在桥墩外侧植筋改造为矩形墩。

图5 外侧包裹钢筋混凝土（方案3）

该方案优点是建成后基本看不出桥梁有改造的痕迹。缺点是施工复杂，造价较高。

独柱墩加固措施选择宜综合考虑净空、施工条件等因素限制，选用可行方案。

5 结论

（1）通过计算分析可得，规范中计算的失稳作用效应并非活载作用下的最不利效应，仅是某支座产生最大拉力时其他支座产生的并发支反力，故规范规定的稳定性系数2.5 并不意味着车辆可以超载2.5 倍，仅为该简化分析方法的偏差系数和实际车辆密集排布情况下汽车效应的放大系数的综合系数，故建议存在车流量大、超载严重的公路独柱墩桥梁增加特殊荷载验算。

（2）独柱墩为次边墩时，桥台及过渡墩支座容易出现拉力且抗倾覆稳定性系数较小，设计中应适当加大边跨跨径及支座间距，防止支座脱空，使其满足规范要求。

（3）墩梁固结独柱墩桥梁倾覆问题实质为桥墩承载力强度不足问题，不属于抗倾覆稳定性问题，但该类桥梁应对桥墩进行验算。

（4）上部结构为预制结构，下部采用独柱墩大悬臂盖梁桥墩，该类桥梁倾覆的本质也是桥墩及盖梁强度不足问题，应对桥墩、盖梁进行验算。

（5）支座间距较小的双支座独柱墩及双支座双柱墩同样存在倾覆稳定性问题，桥梁设计时应注意尽可能加大支座间距，原则上支座间距不小于桥面宽度的1/4。

（6）老规范标准设计下的既有桥梁虽对横向稳定没有相关要求，设置多个连续独柱墩的桥梁建议按照新规范规定倾覆验算办法进行核算，对不满足横向稳定要求的桥梁应采取加固处置措施。

（7）通过本文两个墩柱墩桥梁验算结果及原因分析，结合已发生倾覆桥梁的案例，可知存在倾覆稳定性问题的桥梁为设置连续多个单支座独柱墩桥梁，经结构倾覆验算满足规范且有一定富裕情况下，不应完全舍弃独柱墩构造，合理选择下部结构。