独柱墩连续箱梁桥抗倾覆验算与加固分析

鲁昌河;万志勇;梁立农;孙向东;徐德志

【摘 要】粤赣高速公路河源城南互通立交匝道桥3×25m预应力混凝土连续箱梁桥,因4辆超载大货车违规停靠而发生倾覆垮塌事故,这是近年多起侧倾事故以来的又一起连续箱梁桥因超载车辆引发的侧倾垮塌事故.针对该问题,通过深入分析倾覆事故的发生原因,提出针对运营桥梁的验算方法及相应的加固措施,以避免类似情况再次发生.

【期刊名称】《广东公路交通》

【年(卷),期】2018(044)003

【总页数】5页(P35-39)

【关键词】独柱墩;箱梁桥;倾覆;验算;加固

【作 者】鲁昌河;万志勇;梁立农;孙向东;徐德志

【作者单位】广东省交通集团有限公司,广州510623;广东省交通规划设计研究院股份有限公司,广州510507;广东省交通规划设计研究院股份有限公司,广州510507;广东省交通规划设计研究院股份有限公司,广州510507;广东省交通规划设计研究院股份有限公司,广州510507

【正文语种】中 文

【中图分类】U445.72

0 概述

2015年6月19日，粤赣高速公路河源城南互通立交匝道桥3×25m预应力混凝土连续箱梁桥，因4辆超载大货车违规停靠而发生倾覆垮塌事故。这是近年来继绍兴上虞市春晖互通立交匝道、哈尔滨阳明滩大桥等多起侧倾事故以来的又一起独柱墩连续箱梁桥因超载车辆引发的侧倾垮塌事故。

独柱墩箱梁桥具有结构轻巧、桥下净空大、通透性好、下部工程量小、工程造价低等优点而在城市高架、城市立交桥以及高速公路的匝道桥建设中广泛采用，但近年来该类桥倾覆事故频发，造成巨大损失。针对该问题，工程技术人员开展了大量的分析，形成了一些处治措施。本文对用于广东省内大部分高速公路独柱墩连续箱梁抗倾覆验算设计与加固的研究成果进行论述，内容包括倾覆事故发生的原因分析、针对运营桥梁的验算要求、相应的加固方案以及加固设计要点等。

1 抗倾覆验算要求

通过分析城南及类似倾覆事故，有这样一些共同因素：多辆超载汽车密集通行；桥梁上部结构为整体式连续箱梁；桥梁下部结构的部分或全部桥墩为独柱墩，且在墩顶仅设置单个支承；部分桥梁虽采用横向双支承，但横向两支承的间距较小。设计规范对于这样的

结构，在如此极端的受力状况下怎样进行抗倾覆验算，没有相应具体详细的条文规定。因此要避免类似情况再次发生，就必须提出与实际受力情况相对应的验算方法。

因为事故荷载为超常规的极端荷载，难以采用常规的极限状态分析法，因此编制验算方法时，收集了国内多起类似事故的荷载状况，并与规范标准荷载进行比较，最终提出在计算横向稳定时，汽车荷载分项系数需采用3.4。同时对设置有横向单支承的连续箱梁在偏载下的扭转机理进行了深入分析，最终提出了上部结构采用整体式截面的独柱墩连续箱梁桥，横向抗倾覆安全性评估的补充验算要求：

(1)在作用的基本组合下，单向受压支座不出现脱空状态。而当汽车荷载效应采用3.4的分项系数时，单向受压支座宜不出现脱空状态。

提出该验算要求的缘由是：中间桥墩采用独柱单支承的连续箱梁桥，在汽车等偏心荷载作用下，主梁扭转效应增加，梁端的边支座会出现脱空，导致主梁支承体系发生改变。如荷载进一步增加，结构就会转化为机构，不能保持静止的平衡状态，转而进入运动状态，发生横向倾覆破坏。要保证结构支承体系不发生改变，防止连续箱梁进入失稳初始状态，需控制边支座避免出现脱空现象。当汽车荷载效应采用3.4的分项系数时，单向受压支座宜不出现脱空状态，此要求较为严格，因此不做硬性要求。

(2)在作用的基本组合下，汽车荷载效应采用3.4的分项系数时，连续箱梁的扭转角不应大于0.02rad。

提出该验算要求的缘由是：分析表明中间桥墩为独柱单支承的连续箱梁桥，在偏心荷

载的作用下，倾覆破坏过程的受力呈现几何、材料和接触非线性特征，中间桥墩与两端桥墩会因此出现方向相反的水平推力，计算分析极为复杂。为简化验算工作，经分析研究，提出在作用的基本组合下，汽车荷载效应采用3.4的分项系数时，箱梁的扭转角不应大于0.02rad。这种验算限值也是连续箱梁桥通常采用的盆式支座或球形支座保持正常工作的需要。

计算时对于多车道桥梁，横向布载方式为：当横桥向仅布置一条车道汽车荷载时，其横向车道布载系数采用1.0，汽车荷载效应(含汽车冲击力)分项系数采用3.4。当布置一条车道以上的汽车荷载时，最外侧车道汽车荷载效应(含汽车冲击力)分项系数采用3.4，其余车道分项系数按现行规范采用，全部车道的横向车道布载系数均按现行规范采用。

(3)当箱梁桥整联只采用单向受压支座支承时，应满足下式验算要求：

式中：kqf—横向抗倾覆安全系数，取kqf=5；

∑Sbk,i—使上部结构保持稳定的作用效应标准组合设计值；

∑Ssk,i—使上部结构失去稳定的作用效应标准组合设计值。

提出该验算要求的缘由是：计算模式假定桥梁上、下部结构的刚度均为无穷大，在偏心汽车荷载作用下，上部结构将绕结构最外侧支承的连线进行刚体转动。因该模式的失稳破坏为突发性的“脆性”破坏，破坏前没有明显征兆，因此要求相对较高的安全系数，本次验算建议取用1.5。同时结合汽车荷载效应分项系数取3.4，故横向抗倾覆安全系数建议取用kqf=5。该验算要求与第2项要求的区别在于：本要求针对那些一旦出现转动即

无法停止的结构，而第2项要求适用于那些出现扭转变形后，随着支承体系的变化，结构还能在一定角度内重新达到平衡的结构。

2 抗倾覆加固设计方案

对于采用上述横向抗倾覆验算要求，不能通过的桥梁需进行相应的加固，这类加固设计是一项新问题，需进行系统深入的分析，以便统一加固设计指导思想，选定合理的加固方案，从而提高加固设计的质量，降低施工难度，控制加固费用。通过收集资料与技术分析，得到如下四大类典型的加固方案。

2.1 方案一：主梁增设抗扭拉杆装置

通过在主梁与桥墩或桥台间设置钢结构抗拉装置，约束主梁在偏载下的扭转位移，避免因支座脱空而改变结构体系后，主梁继续扭转而导致横向倾覆。方案构造见图1。

图1 主梁增设抗扭拉杆装置方案

方案一优点：新增结构几乎不影响结构原有受力模式；钢结构抗拉装置构造简单，施工方便，工程规模较小；施工期间几乎不影响桥上正常交通。

方案一缺点：新增钢结构抗拉装置需采用后锚固连接，其强度受到限制，仅适用于支座受力验算脱空负反力较小的情况，适用范围有限；原桥墩无盖梁时，钢结构抗拉约束装置因力臂小性能不佳，需相应增设盖梁。

2.2 方案二：桥墩增设盖梁将单支承改为多支承

通过在原单支承的桥墩顶面增设盖梁及支座，将墩顶横向单支承改为多支承，改变原有的主梁支承体系，增强主梁抗扭转能力，避免横向倾覆。方案构造见图2。

图2 桥墩增设盖梁方案

方案二优点：桥墩改为横向多支承可明显增强主梁的抗扭能力；增设盖梁工程规模相对较小，可根据实施条件采用钢结构或混凝土结构，对原结构景观影响较小；有需要时，可在多个中间桥墩同时设置，效果更好。

方案二缺点：桥墩墩柱的横向受力较原结构有较大增加需进行验算；主梁横隔梁受力发生变化需验算；受以上因素及桥墩横向刚度等影响加固效果相对有限；增设盖梁影响桥下净空，需核查实施条件；施工过程涉及植筋、植锚栓、浇筑混凝土等多道工序，施工相对较为繁琐。

2.3 方案三：改造桥墩结构将单支承改为多支承

针对方案二的局限，通过对原有独柱桥墩结构进行整体改造加固，然后将墩顶横向单支承改为多支承，改变原主梁的约束形式，增强主梁抗扭转能力，避免横向倾覆。具体实施时，可结合现场条件，采用加桩并包大墩身尺寸加固原桥墩，或直接增加墩柱个数等方式改造原桥墩结构。方案构造及设置方式见图3。

图3 增加墩柱个数方案

方案三优点：可显著增强主梁的抗扭能力，抗倾加固效果好，通常只需要处理多个中间桥墩中的一个墩，即能满足要求；加固后结构的安全性及可靠性均较高。

方案三缺点：需对桥墩整体结构进行加固改造，工程实施难度及工程量相对较高，工期较长；横隔梁受力发生变化，需按规范要求对其进行验算；整体改造后可能影响桥下净空，具体可实施范围需核查；一般需新增桩基，并需采用回旋钻施工，易受地形条件限制；加固施工期间对现有结构的安全有不利影响。

2.4 方案四：增加梁端支座间距

通常边墩处的梁端支承均为双支承，当双支承的间距较小时，对主梁的抗扭约束作用有限，在作用效应基本组合下支座可能出现受拉状态。因此可采用加宽边墩盖梁及主梁端横梁，在两侧增设支座，加大边支座间距，从而加强结构抗扭转变形能力。方案构造见图4。

图4 增加梁端支座间距方案

方案四优点：对于宽幅箱梁桥抗扭转加固效果较好；加固工程量较小，如果梁端为桥台加固工程量更小。

方案四缺点：主梁端横梁需接长，受预应力筋的影响，植筋施工难度较大，对加固的可靠性有一定影响；增设支承点后桥墩或桥台盖梁需进行验算，必要时尚需进行加固；横隔梁受力发生变化，需按规范要求对其进行验算。受以上因素影响加固效果相对受限。

2.5 特殊处理方案

除以上四大类加固方案外，还可根据项目的具体情况，采用一些特殊处理方案。如当左、右两幅桥均采用独柱墩连续箱梁，上部结构的跨径与联长也对应一致时，可在左、右幅横梁间增加横向连系梁。通过将左、右幅上部连成整体，从而改变结构的支承方式，避免横向倾覆。方案构造见图5。

图5 左、右幅增加横向连系梁方案

但该方案针对新增横向联系梁的受力计算，需采用空间有限元进行，较为复杂，横向连系梁的结构设计及实施难度均较大。浇筑混凝土期间需设置临时支撑，避免结构变形影响加固混凝土的质量。因此该方案仅在其它方案受限时选用。

3 抗倾覆加固设计要点

独柱墩连续箱梁抗倾覆加固设计，需收集桥梁的设计资料、竣工资料、检测资料等，据此判断桥梁现状技术状况。同时需进行详细的现场踏勘，熟悉桥梁净高、净宽、施工操作空间等现场建设条件，根据现状技术状况及现场建设条件，排除明显不可行方案。

对拟定的加固方案需采用空间有限元程序逐个进行验算。曲线桥梁需考虑内外侧腹板长度、护栏长度的差异。施工分段、预应力效应对支座反力的分配有较大影响，应予以计算考虑。

针对具体桥梁的加固，有时需同时采用以上四类方案中的两种甚至多种。各种加固方

案的计算结果出来后，如何选择最终的实施方案有以下一些原则可供参考：

适用性原则：加固方案需符合现场建设条件的要求，方便实施，并对交通通行影响小。一般情况下各方案的实施难度从小到大排序为：方案一、方案四、方案二、方案三；充分了解每种加固方案的适用情况及局限性，如：方案一在拉杆力小于50 t左右时比较合适。方案二仅在墩柱压弯强度满足要求时适用。方案三适用性较广但桥墩位于河道、路中时难以实施。方案四仅在梁端进行处理，对抗倾覆作用有限，当倾覆风险较小时采用。

经济性原则：根据初步的造价分析，一般情况下各方案的经济性排序为：方案一、方案四、方案二、方案三；联合采用两种加固方案有可能获得较好的经济效果。如：方案一与方案三联合；方案二与方案四联合；同时需考虑将来养护维修的难度与费用。

可靠性原则：加固施工其材料的品质及施工的精细度对可靠性影响较大。在四个方案中方案一的要求相对较高，可靠性相对低一些。加固后结构的承载潜力也有差别。一般情况，方案三的承载潜力较大，同时也能改善主梁的受力状况。

景观性原则：针对景观性要求高的路段，需重视景观需求，不一定选择最为经济的方案。如在墩柱加强时尽可能采用整体板式构造。

在原桥墩结构上新增盖梁、外包墩身时，为避免加固时新老混凝土间出现收缩裂缝，采用补偿收缩混凝土，并添加抗裂纤维，改善混凝土的力学性能和工作性能。

当采用钢结构加固时，考虑到今后养护维修难度大，建议采用新材料耐候结构钢，并进行防腐涂装，涂装设计寿命不少于20年。

对于横桥向增加支座的结构，为减小对原主梁横隔板受力的影响，同时减小对新增盖梁结构的受力需求，新支座安装时不进行主梁顶升，新增的支座仅需与梁底接触并密贴即可，并采取防滑移措施。这样新增支座仅在主梁有偏心荷载时受力，而恒载仅由原有支座承担，对原结构受力的改变相对较小。需特别注意在后续运营养护阶段，如进行支座更换，必须合理安排更换工序，维持加固时的各支座受力状态，确保结构安全。

如需在原有桩基旁增加新的桩基时，需核查地质条件，避免施工时影响原桥安全，桩基成孔施工建议采用回旋钻。

4 结语

近些年来的独柱墩连续箱梁桥倾覆事故，与汽车超载密不可分，设计规范对于这类结构，在如此极端的受力状况下怎样进行验算，没有相应具体详细的条文规定。基于对实际情况的分析及倾覆机理的分析，提出了实用而有效的验算方法。截止2016年底，采用本文提出的解决方案，完成广东省内大部分高速公路独柱墩连续箱梁抗倾覆验算设计与加固施工。参照本文提出的解决方案，完成了广东省内大部分高速公路独柱墩预制梁上部结构抗倾覆验算与设计工作，目前正在组织施工。

参考文献：

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