浅谈独柱墩桥梁抗倾覆稳定性分析及加固设计

卢羿良

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

独柱墩连续梁桥由来已久，是国内外比较常见的桥梁结构，独柱墩因其墩身结构形式流畅，桥体美观大方，并且具有占用桥下空间小，增加行车视野，改善桥梁下部空间布局，降低造价，经济性好等诸多优点，被广泛应用于桥梁的下部结构。尤其是在城市高架、公路跨线、匝道立交等下部空间有限或有行车需要的地方，常常能看到独柱墩的身影。然而在我国，大型车辆超载现象比较严重，当连续出现多辆超载大车或重载车辆在桥梁的单侧行驶时，则会产生严重偏载现象，当偏载打破桥梁边界条件时，桥梁失稳支座出现脱空，导致独柱墩桥梁发生倾覆[1]。

1 工程概况

甘肃省某高速公路立交桥设计于2003年，桥面全宽8.5 m，上跨排洪沟及灌溉渠，位于R=106圆曲线及缓和曲线上。上部结构采用（20.794+20+20）m+（3×20）m两联曲线预应力砼连续箱梁，桥梁全长：125.68 m。下部结构1#、2#和4#、5#号墩采用独柱墩，且独柱墩上设置单支座，因此对该桥两联连续梁进行抗倾覆验算。

原桥梁设计荷载为：汽—超20，挂—120。

2 验算的主要规定及条款

独柱墩横桥向抗倾覆稳定验算除按照现行相关规范条文进行验算外[2]，还应符合以下条款：

（1）在荷载作用下，单向受压支座应保持受压状态。

（2）在标准值组合作用下，连续箱梁桥仅受受压支座支承的情况下，满足以下要求：

式中：kqf——抗倾覆稳定性系数，取kqf=2.5；在超载路段时，kqf应适当提高；

∑Sbk,i——使上部结构稳定的效应设计值；

∑Ssk,i——使上部结构失稳的效应设计值；

li——第i个桥墩处失效支座与有效支座的支座中心间距，在倾覆失稳极限状态各桥墩仅存在一个有效支座；

RGki——全部支座有效的支承体系中，第i个桥墩处失效支座的永久作用支反力；

RQki——全部支座有效的支承体系中，第i个桥墩处失效支座的可变作用支反力。

其他说明：

①上述验算汽车荷载考虑冲击系数；

②汽车荷载效应（考虑冲击作用）按各失效支座对应的最不利布置形式取值；

③在基本组合和汽车荷载效应分项系数为3.4时，活载及横向分布系数均按照《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）取值。

3 抗倾覆验算荷载取值

（1）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第4.1.8条规定。

（2）荷载按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）规定采用。

（3）自重：钢筋混凝土容重取25.0 kN/m3。

（4）验算荷载：公路-Ⅰ级，抗倾覆验算时考虑车道在曲线内侧偏载和曲线外侧偏载2种工况。

（5）二期恒载。桥面铺装：桥面为9 cm厚钢筋混凝土（重力密度取25.0 kN/m3）+9 cm厚沥青混凝土（重力密度取23.0 kN/m3），桥面净宽7.5 m，所以铺装层的单位长度质量为：（25+23）×0.09×7.5=32.4 kN/m；

防撞墙（单侧）：防撞护栏为钢筋混凝土实体。单侧护栏折算线荷载集度25×0.3=7.5 kN/m 。

4 抗倾覆验算结果

独柱墩桥梁的抗倾覆验算包括支座反力计算和抗倾覆系数计算。模拟独柱墩桥梁在（重载或超重载）汽车荷载作用下，分别在匝道桥梁曲线内侧和外侧施加荷载，验算在汽车偏载情况下，是否会引起桥梁边界条件失效而失去平衡，导致桥梁支座单依次脱空，发生倾覆。桥梁的抗倾覆系数即上部结构稳定的效应设计值与上部结构失稳的效应设计值的比值，两者分别为桥梁支反力和汽车活载对倾覆轴线的弯矩值。

依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第4.1.8条及条文说明之规定，验算匝道桥梁在曲线内侧偏载和外侧偏载两种工况下箱梁的支座反力（特征状态1）及抗倾覆稳定系数（特征状态2）。图1所示为匝道各支座的编号，图2所示为该计算联桥梁有限元模型，图3所示为永久作用标准值作用下的支座反力。

图1 匝道支座布置图（单位：cm）

图2 有限元模型

图3 有限元计算永久作用标准值支座反力（单位：kN）

按内侧偏载和外侧偏载2种工况活载条件进行计算，并考虑桥梁恒载、温度以及不均匀沉降等方面的影响，计算该桥第一联桥梁曲线外侧和内侧偏载作用下的抗倾覆验算结果。计算结果表明：曲线外侧偏载作用时，该桥第一联在作用基本组合下支座出现受拉情况，最大拉力为215.6 kN，不满足规范要求，在作用标准值组合下，横桥向抗倾覆稳定性系数最小值为1.2（＜2.5），不满足规范要求；曲线内侧偏载作用时，该桥第一联在作用基本组合下支座均处于受压状态，满足规范要求，作用标准值组合下，横桥向抗倾覆稳定性系数最小值为1.8（＜2.5），不满足规范要求。独柱墩桥第二联桥梁曲线外侧和内侧偏载作用下的抗倾覆验算结果表明：曲线外侧偏载作用时，该桥第二联在作用基本组合下支座出现受拉情况，最大拉力为209.3 kN，不满足规范要求，作用标准值组合下，横桥向抗倾覆稳定性系数最小值为1.2（＜2.5），不满足规范要求；曲线内侧偏载作用时，该桥第二联在作用基本组合下支座均处于受压状态，满足规范要求，作用标准值组合下，横桥向抗倾覆稳定性系数最小值为1.7（＜2.5），不满足规范要求。计算结果如表1—表2。

表1 第一联桥梁抗倾覆验算结果

表2 第二联桥梁抗倾覆验算结果

5 加固设计

5.1 方案比选

方案一：对独柱墩进行增大墩身截面加固。为提高桥梁的横向稳定性能，使得原来桥墩立柱所受的偏心受压作用减小。根据现场条件，通过植筋，浇筑混凝土，将桥墩两侧扩大为矩形实体墩，同时在新增部分设置抗压支座，提高箱梁的横向抗扭能力，改造方案见图4。

图4 桥墩加宽构造图

方案二：对独柱墩墩顶增设钢盖梁。在墩顶增设钢盖梁与桥墩形成可靠连接[3]。增设横梁采用焊接钢结构，通过锚栓锚固与桥墩顶部固结。钢结构表面涂装环氧富锌底漆、环氧云铁中间漆以及氟碳面漆。同时在原支座两侧各新增一个抗压支座，实现由单支座变为多支座，以提高梁体的横向抗扭能力，改造方案如图5所示。

图5 桥墩顶增设钢盖梁构造图

方案三：对独柱墩墩前端挖井基础范围外采用门式墩、桩基础。为提高桥梁的整体横向稳定性，在桥墩前端增设门式墩，利用门式墩的稳定性增加桥梁的抗倾覆能力，改善桥梁的整体受力。改造方案如图6所示。

图6 桥墩前端增设门式墩构造图（单位：cm）

3种加固方案均能增大支座间距、使中墩单支承改为多支承体系，增大桥梁支撑系统的抗倾覆性。3种加固方案具体优缺点详见表3。

表3 改造方案比选

5.2 加固效果分析

经加固处理并增设支座后，桥梁墩柱实现由单支座变为多支座，参照加固前的分析验算过程进行抗倾覆稳定性分析验算，曲线外侧、内侧偏载加载时，计算得到在作用基本组合下，该桥第一联（3×20）m钢筋混凝土连续梁的支座均处于受压状态，满足规范要求；作用标准值组合下，横桥向抗倾覆稳定性系数最小值为8.2＞2.5，满足规范要求。第二联（3×20）m钢筋混凝土连续梁的支座均处于受压状态，满足规范要求；作用标准值组合下，横桥向抗倾覆稳定性系数最小值为8.7＞2.5，满足规范要求。具体抗倾覆验算结果见表4—表5。

表4 加固后第一联桥梁抗倾覆验算结果

表5 加固后第二联桥梁抗倾覆验算结果

6 结论

独柱墩连续梁桥具有较多优点，特别是建设条件差、小半径曲线、桥下空间受限等情况下，多使用独柱墩连续箱梁结构形式。但现实中，因为一些偶然因素，致使桥梁突然受到极大的偏载作用，打破了原桥梁边界平衡条件，导致桥梁支座脱空出现倾覆事故，造成极大的人员和财产损失。文章结合工程实例，对某高速立交独柱墩进行抗倾覆验算，根据验算结果提出了增大支座间距、中墩由单支承改为多支承等方面加固处理措施，以期为同类工程的处理提供借鉴。