某匝道桥独柱墩抗倾覆加固方案受力及设计分析

■张耀镇

（中交远洲交通科技集团有限公司，石家庄 050035）

独柱墩形式是目前国内外城市高架桥和高速公路桥梁建设中较为常见的下部结构，其具有桥下空间开阔、占地少、视野广、桥型美观、经济适用等优点。 但是，随着我国经济的快速发展，交通量日益增加，重载车辆不断增多，超限超载情况日趋严重，独柱墩桥梁侧翻事故频发的主要原因为超重超载车辆单侧行驶引发严重偏载支座脱空，给国家和人民生命财产安全造成巨大的损失。 由于独柱墩桥梁存在梁体横向倾覆缺陷，为了继续发挥独柱墩桥梁的生产运营和安全需要，既提高通行能力和服务水平，也满足桥梁设计规范要求，本研究对某匝道桥桥下结构独柱墩采取相应技术进行受力计算和实施加固。

1 工程概况

2005 年建成通车的某匝道桥，桥梁全长172 m，桥跨组合5×30 m，桥面总宽8.5 m（净宽7.5 m），设计荷载为汽超-20 级， 挂-120。 上部结构为单箱单室截面预应力钢筋混凝土箱型梁，梁高180 cm。 横梁均采用普通钢筋混凝土横梁，由箱梁顶、底板旋转形成桥面横坡， 两侧腹板采用相同高度垂直设计，下部结构为嵌岩桩基础加独柱墩形式，桥台采用扩大基础U 型台。

本桥平面处于R=300 m 的右偏圆曲线以及一段缓和曲线内，本桥部分位于超高过渡段内，本桥最大超高为6%。 其中1、2、3、4 号桥墩为独柱距形墩，尺寸均为1.8 m×1.2 m（横向×纵向），柱底接承台，承台尺寸为2.9 m×2.9 m×1.5 m（横向×纵向×厚度），桩径均为1.8 m，柱高为14.62～21.91 m。 桥面采用16 cm 厚防水混凝土铺装，0#、5 # 桥台布置双支点型号为GPZ3000DX、GPZ3000SX 型支座以及D80型伸缩缝，1、3、4 号墩为单支点型号为GPZ8000DX型支座，2 号墩为单支点型号为GPZ8000GD 型支座。 经现场检测发现该匝道桥2#、4#支座为脱空状态，并对独柱墩进行抗倾覆计算，倾覆系数为1.14，无法满足规范规定的抗倾覆要求。

图1 桥梁正面照

图2 桥梁侧面照

2 加固方案受力计算

独柱墩常见的加固方法很多[1-4]，如在原柱墩横向两侧增设立柱和支座、 加宽墩柱为圆端形墙式墩、增设混凝土或钢盖梁、设抗拔约束装置等，经核查原桥图纸及现场踏勘资料，综合考虑原设计所采用的独柱墩均无盖梁、独柱墩桥梁抗倾覆计算结果以及桥梁实际运营状况，加固方案在满足提高抗倾覆稳定性系数的前提下，确保技术措施可行、施工方案安全可靠、尽量减少对桥梁结构的影响，且改造施工不能对通车运营构成安全影响，提出了既节省空间又施工方便，并且对周边环境干扰小的“新增钢盖梁+单支座支撑改为三支座支撑+墩柱外包混凝土”处置方案。

2.1 抗倾覆计算

依据桥梁施工过程和施工方案划分施工阶段进行建模， 采用MIDAS 有限元模型进行结构总体计算分析，计算模型见图3。对2#、4#支座为脱空状态独柱敦加固后的桥梁进行独柱墩抗倾覆计算，倾覆系数为5.9， 满足公路桥涵设计规范规定的抗倾覆要求。

图3 某匝道桥整体模型

2.2 支座计算

某匝道桥加固后的支座布置见图4。由表1 可知，设计选取的支座反力设计值Rck 大于标准组合下新增支座处的最大反力值，支座选取满足规范要求。

图4 2#、4# 独柱墩顶加固后支座布置

表1 新增支座计算结果

2.3 钢盖梁局部计算

采用通用空间有限元软件进行钢盖梁的局部计算（图5），计算内容包括以下2 方面：（1）钢盖梁各构件的局部应力；（2）各型号锚栓的抗拔、抗剪承载力。 由图6 可知，钢盖梁在设计荷载作用下，构件最大主拉应力为271.71 MPa，小于Q355NHC 钢材屈服强度295 MPa，满足规范要求。 由表2 可知，钢盖梁所用M24 特殊倒锥形化学锚栓、M20 螺栓的抗拔、抗剪承载力均满足规范要求。

图5 钢结构盖梁（矩形柱）有限元模型离散图

图6 钢结构盖梁应力计算结果云图

表2 钢盖梁锚栓抗拔、抗剪计算结果

2.4 墩顶处横梁计算

本桥独柱墩位置的横梁为预应力钢筋混凝土横梁，当支座处的活载反力最大时，横梁处于最不利状态。 加固后的横梁由单点变成横向3 点支撑，原支座承受恒载反力，3 个支座共同承担活载反力，但当桥梁存在倾覆趋势时，独柱墩位置将会出现“原支座、与倾覆车辆同侧新增支座”共同抵抗倾覆的现象， 根据以上原理进行独柱墩墩顶横梁计算。墩顶横梁计算模型采用Midas Civil 建立梁结构离散示意见图7， 横梁约束位置根据实际支座位置进行模拟， 恒载以集中力形式加载到腹板位置，活载以纵向计算得到活载反力算出每车辆荷载的轴重，再根据横向车辆实际位置进行加载，由表3、4可知，加固后墩顶横梁抗弯、抗剪承载能力计算均满足原设计要求。

图7 某匝道桥墩顶横梁离散模型

表3 某匝道桥抗弯承载能力极限状态计算结果

表4 某匝道桥抗剪承载能力极限状态计算结果

2.5 墩柱偏心受压计算

某匝道桥加固后由于新增设钢盖梁上的新增支座处存在支点反力，使原独柱墩截面的横向弯矩增大，桥墩处于偏心受压状态[3]。对加固后2 号独柱墩（墩高16.21 m）、4 号独柱墩（墩高21.91 m）进行计算。 由表5 可知，需对不满足要求的2#、4# 墩柱设置外包混凝土加固，不改变原有桩基，加固后计算结果见表6，满足要求。

表5 某匝道桥墩柱强度计算结果

表6 某匝道桥墩柱加固后强度计算结果

3 加固方案设计

3.1 新增钢结构盖梁

某匝道桥2 #、4 # 独柱墩墩柱上设置了采用Q355NHC 型钢板在工厂完成标准化加工且整体质量可靠的钢结构盖梁，其现场安装时以特殊倒锥形锚栓与桥墩墩柱相连接。 为了克服单支座支撑引起的横向倾覆问题，在墩柱的原支座两侧新设2 个竖向支撑支座，恒载由原桥支座承担，活载由原支座及两侧新设可调平和调高的四氟滑板式橡胶支座（GBZJH300×600×71 型）共同承担，独柱墩的单支座支撑变成了三支座支撑结构，同时对支座反力较小的联端支座增设拉杆，使其到达横向抗倾覆稳定要求（图8、图9）。

图8 新增钢结构盖梁立面图

图9 新增钢结构盖梁平面图

3.2 中横梁、墩柱外包混凝土加固

维修处治后独柱墩处的单点支撑变成了三支点支撑，为改善新增支座引起的中横梁底板局部应力集中，在中横梁范围内，沿横向在底板对称粘贴2 条8 mm 厚Q355NHC 钢板，中横梁底板粘贴钢板见图10。 根据计算结果，柱底承载能力及裂缝宽度超限，采取以增大截面法对墩柱进行加固，在2#、4 # 墩柱种植钢筋外包20 cm 厚C35 混凝土，新增部分结构与原墩柱构成一体共同受力，提高结构安全性能，墩柱外包混凝土见图11。

图10 中横梁底板粘贴钢板图

图11 墩柱外包混凝土立面图

3.3 加固要点

为了确保在加固施工期间的运营安全以及新旧构件能够共同受力，需从以下几个要点着重处理：（1）新旧构件面处理：对要实施范围内的混凝土表面采用人工进行凿毛，在混凝土表面形成粗骨料部分外露2～4 mm 的粗燥凹凸面， 表面粉尘用无油压缩空气机吹除，干燥表面用脱脂棉沾丙酮擦拭，依据加固图纸对实施部位精准定位、钻孔，成孔后利用压缩空气和专用电动毛刷相结合清除孔内、孔壁上粉尘，并根据孔壁实际情况采用电热干燥或化学干燥进行孔壁干燥。 （2）锚栓加固构件：钢盖梁安装之前，将锚栓初步放在既定位置，钢盖梁抱箍钢板周围用封边胶将其封闭，以大于0.1 MPa 的压力通过钢板低端黏贴注浆嘴压入胶粘剂，当预留出气孔出现浆液后停止加压用封边胶封堵，再以较低压力维持10 min 以上， 然后植入锚栓螺母及钢抱箍对拉螺栓进行紧固。 在确保施工安全的前提下，将工厂完成所有标准化加工和焊接的钢结构盖梁吊装至独柱墩安装位置，并焊接为一个整体。 （3）安装新增支座和垫石工艺流程：混凝土基面处理→定制并焊接钢构件→支座垫石施工→梁底楔形块调平钢板及支座的安装→填充环氧砂浆→配制结构胶→封边及安装注浆嘴→下钢板灌注水泥基灌浆料→钢板表面防腐处理。其中用M12 螺栓将底梁支座调平楔形块水平固定于中横梁底板粘贴钢板下表面，在支座垫石与楔形块水平钢板间塞入新增支座，利用M12 锚栓螺母进行调节紧固，使支座垫石、支座与楔形块水平钢板三者紧密贴合。 （4）注意事项：钻孔前必须测定梁底钢筋具体位置，保证原结构钢筋不受损伤；施工时应精确测量新增支座处总支承高度，安装支座下钢底座及支座后，通过上钢板及楔形块（环氧砂浆填充）适应梁底横坡及剩余间隙高度，支座顶面必须水平设置，上钢板施工前需对原主梁横坡、纵坡精确测量，保证钢板水平，上钢板锚栓锚固长度应大于10 d，支座上钢板的M12螺母，用于调整楔形块高度，消除支座系统间隙；灌注粘贴钢板应在交通量较小时段进行施工，以利于结构胶强度快速形成。

4 结语

通过对工程实例某匝道桥独柱墩存在横向抗倾覆系数不足、 支座脱空等问题实施加固处置，利用MIDAS 软件建立有限元相关模型， 对桥梁抗倾覆、支座、钢盖梁、墩顶处横梁、墩柱偏心受压等部位进行受力分析，各项计算指标和性能均符合设计和规范要求，且该桥独柱墩加固完工验收合格后持续2 年运营监测，表明该匝道桥独柱墩加固效果显著，加固技术安全可行，可为类似桥梁加固提供一定参考。