独柱支承桥梁抗倾覆加固技术研究与应用

引言随着城市化进程的加快，我国修建了大量的高架、立交以缓解交通压力，但修建高架或立交匝道桥时往往有地面辅道或已有道路桥梁需要跨越，桥墩柱只能落在有限空间范围内，为了节省地面空间，将常规的横向双柱墩改为独柱墩，在独柱墩端设置成单点支承、横向双点支承或接盖梁采用多点支承。独柱支承桥梁根据邻近辅路或跨越路段需要修建成直线或曲线形式（如图1、图2所示）。图1独柱支承曲线桥图2

独柱支承直线桥独柱支承桥主梁采用预应力混凝土连续箱梁或钢-混组合连续梁，以3~6跨一联等跨径或不等跨径存在。独柱支承桥梁为了维持桥梁的横向稳定，联端墩柱多采用桩柱接盖梁墩，在盖梁上设2个支座，中间墩采用墩梁固结或铰接，铰接中间墩一般设置成固定铰支座、横向固定支座、盆式橡胶支座。独柱支承桥梁轴线多为空间曲线，独柱支承桥梁是一个空间结构，相比双柱支承式桥梁，其构造、受力和结构分析方法要复杂得多，其抗倾覆稳定性问题居第1位。近年来，车辆数量和载重量快速增长，随之带来的就是桥梁实际承载能力远远超过了设计承载能力，导致近年来国内多起独柱支承桥梁倾覆事故的发生。此外，早期建设的桥梁经过多年的使用也需要维修加固。目前急需对存在安全隐患的独柱支承桥梁进行现场特殊检测及验算复核，依据检测结果和验算结果对存在问题的桥梁制定针对性的处理方案并及时进行加固处理，保障桥梁的安全运行。

1、独柱支承桥梁受力特点

独柱桥虽然广泛应用到城市立交和匝道桥中，但由于其结构形式导致受力性能主要有如下2个特点：（1）弯扭耦合和箱梁的畸变效应。对匝道桥而言，主梁受弯矩和扭矩2种外力的作用，一般情况下，运营中大量的弯桥未设抗扭支撑，对整桥而言抗倾覆扭矩作用到墩台及独柱上的支座上，如果上述倾覆扭矩超过设计能力，则很可能会导致端部内支座脱空，同时在温度的作用下主梁有外移倾向，上述因素共同作用严重时可导致上部结构整体失稳或倾覆落梁。在反对称荷载作用下，使上部结构梁体在非正常受力状态下产生畸变应力。（2）支座反力不对称。在恒载情况下，弯桥端部的支座反力呈外大内小受力状态。因而在进行结构设计时，需考虑以下问题：自重和预应力荷载作用时扭转问题；弯曲匝道桥偏载因素导致的支座抗倾覆稳定性问题；墩柱刚度不足时，受柱顶水平力影响问题。2、独柱支承桥梁破坏形态及破坏特征

独柱支承桥梁破坏形态主要有：（1）桥墩破坏形态。主要为压弯破坏。主梁发生临界倾覆前，一般情况下桥墩并未发生破坏，桥墩的破坏是箱梁在倾覆后短时间内局部受压形成。主梁在偏载超载情况下相对于独柱支座梁体发生偏转产生转角，当转角较大时主梁底部将与墩顶接触，导致墩柱局部受压过大发生破坏。（2）主梁破坏形态。主要是主梁横向发生了转动，而主梁端部并未发生弯曲，仅沿纵轴线产生了纵向位移，在桥墩倾覆前主梁没有发生弯曲强度破坏[1]。独柱支承桥梁破坏特征有：（1）中墩铰接独柱支承直线桥。在偏载不利情况下，中墩铰接独柱支承直线桥上部结构将会产生较大的倾覆力矩，如果倾覆力矩大于结构本身的稳定力矩时，随着主梁扭转效应的增加，桥台（或联端支座）会出现脱空，其他支座反力会因此发生重分布的情况，当相对于中柱滑动支座倾覆作用不断增加时，桥梁由墩柱支座受压的稳定体系逐步转变为部分支座负压力的不稳定状态，导致最终发生上部结构倾覆或落梁事故。（2）中墩铰接独柱支承曲线桥。在偏载不利情况下，中墩铰接独柱支承曲线桥上部结构将会产生较大的倾覆力矩，如果倾覆力矩大于结构本身的稳定力矩时，随着主梁扭转效应的增加，桥台（或联端支座）会出现脱空，其他支座反力会因此发生重分布的情况，当相对于中柱滑动支座倾覆作用不断增加时，桥梁上部结构的倾覆力矩随之发生变化，墩柱支座抗倾覆能力的安全储备不断减小，当荷载增量达到一定限度或构件出现强度破坏时，桥梁无法再次达到平衡状态而发生整体倾覆[2-3]。3、独柱支承桥梁抗倾覆稳定主要影响因素

独柱支承曲线梁桥的抗倾覆稳定性主要分直接因素和间接因素。直接因素：汽车超载；间接因素：自重相对荷载偏小、曲率半径过大、梁端支座间距过小等。此外，梁体在温度、收缩徐变、预应力等与汽车活载的多种组合作用下会导致结构的变形、爬移、转角增大等病害，从而使桥梁的初始稳定状态破坏，虽未能引起桥梁瞬间倾覆，但在长期作用下，会使桥梁稳定体系发生改变。4、抗倾覆加固技术

4.1加固方案桥梁存在不同程度的边墩支座脱空和开裂、桥面伸缩缝高差等病害，需要进行抗倾覆加固处理。同时，边墩开裂支座需要进行顶升更换处理。（1）抗倾覆加固永久措施：桥梁中墩采用加大截面或柱顶增设盖梁措施，利用增设调高调平抗倾覆辅助支座进行抗倾覆加固。（2）小盖梁方案：桥梁中墩墩柱采用外包钢板、内部浇注C45自流平无收缩混凝土的方式进行加固；墩柱上部增设钢盖梁；盖梁顶面沿径向在现况支座两侧各增加一个调高支座，原支座保留。（3）支座更换：当支座表面出现裂缝超限等严重病害，部分或完全丧失其使用功能的，属于重度病害，按规范要求须进行更换。4.2加固施工工艺及要点4.2.1调高支座安装施工要点首先在梁底钻孔，将支座上套筒放入并用高强植筋胶粘接，支座套筒钻孔应位置准确，保证垂直度和孔间距，注胶密实，支座安装方向确保无误，且确保支座上调平钢板的平整度满足规范要求；新建盖梁顶面钢板放样定位，将支座下套筒放入钢板预设孔洞并套上支座加强钢板，将支座下螺栓定位，并在支座下方设置钢筋网；将新建盖梁顶面钢板焊接于墩柱钢板，可采用斜撑固定顶面钢板，接着焊接新建盖梁底面和侧面钢板；支座上下套筒螺栓半拧紧，下套筒螺栓与新增盖梁上钢板进行焊接固定；浇筑完混凝土后对盖梁进行养护，将支座上下套筒螺栓拧紧，养护完成后对支座进行解锁；对支座进行调高顶升。4.2.2支座更换顶升施工要点更换支座需在主梁横梁断或腹板底布设顶升支架及千斤顶，通过同步顶升更换支座，千斤顶、油泵、同步控制模块布设见设计文件。主要顶升步序如下：施工前准备、预顶升、顶升、支座更换、主梁回落。施工准备包括顶升装置安装、千斤顶安装、设备调试、交通导行等；预顶位移不超过2mm，检查各千斤顶的同步性和工作状况，以及各监测环节的工作状况；支座更换顶升过程应严格按照设计顶升步序进行，保证各轴顶升位移同步，顶升各阶段记录各千斤顶反力及位移，顶升前应测量各墩顶高程，并编制施工方案及紧急预案，采取有效措施保证现况中墩及主梁结构安全，顶升施工依据设计提供反力值选择顶升设备规格，并严格按照设计确定顶升高度进行现场操作，为保证实现各墩及两中支点同步以及主梁的结构安全，施工单位应自行数据记录、测量（监理单位复核测量）以及数据整理，顶升同步误差不大于1mm；当顶力达到设计预给顶力的1.1倍时，如不能将桥梁顶起，应立即停止顶升，查找原因并进行分析；若顶升过程中发现梁体出现新开裂现象，应立即停止顶升，查找原因并进行分析处理。4.2.3墩柱加粗式加固施工要点植筋时应通过无损检测方式扫描结构内钢筋分布情况，根据植筋打孔设计位置进行钻孔、植筋。首次钻孔或在腐蚀较严重部位钻孔时，应先进行试钻，如结构损坏严重，应与设计等各方商议采取措施或调整施工方案。如因钻孔而导致结构局部破损，应尽快修复。植筋的主要施工步骤为：（1）根据设计要求钻孔，并用清孔专用刷及气泵进行清孔、除尘；（2）将植筋胶进行预注（前3次打出的胶不用），确定无问题后再用专用设备进行注射；（3）植筋胶注射完成后，立即将设计剪力钉按要求的位置、深度植入；（4）钢筋植入后15min内不得受力，15min后方可浇筑桥面叠合层混凝土。增大截面与原墩柱表面涂刷新旧混凝土界面结合胶，外包钢板内部采用C45自流平无收缩混凝土填注，施工时可采用吸附振捣方式保证加固混凝土充盈饱满，同时应采取相应措施防止外包钢板外凸变形。外包钢板应保证外观整洁、颜色均匀。钢结构焊接采用坡口焊接，钢板、钢筋焊接严格按照施工规范操作，焊接质量为I级。焊缝长度要求为全长度满焊。4.2.4加盖梁式加固施工要点增设钢盖梁加固法的施工流程为[4]：（1）在原独柱墩上进行钢盖梁加设位置的定位；（2）在原梁底增设支座处用临时固定支座垫板；（3）进行原独柱墩墩身与钢盖梁连接处的界面处理（处理过程中不得损坏原墩柱主筋）；（4）依照加固设计图纸的相关要求，进行墩柱的钢筋后锚固施工，并按照要求对植筋后的质量逐一检查；（5）对钢盖梁构件进行安装和临时固定，待校正后焊接成整体；（6）进行钢盖梁与墩柱间的缝隙注胶，在灌注胶强度达到要求后拧紧相应螺栓；（7）根据现场实测高度定制新增支座垫板厚度；（8）采用顶升设备顶起主梁，安装支座并进行固定；（9）进行钢盖梁表面防锈涂装施工；（10）拆除临时施工设施，进行后续加固施工。5、工程实例

四惠立交北向东匝道桥7-1#桥位于四惠立交的南侧，上部结构为混凝土连续箱梁，跨径组合为（26.5+36.5+36.5+27）m，桥梁长126.5m，宽9.2m，桥面横向由平面曲线外侧向内侧设3.0%的横坡，圆曲线半径为R=120m。设计标准为汽-超20级，挂车-120级。地震设防烈度为8度，抗震措施设防按9度设防。其立面、平面示意图如图3、图4所示。图3四惠立交北向东匝道桥7-1#桥立面示意图（单位：cm）图4四惠立交北向东匝道桥7-1#桥平面示意图（单位：cm）桥梁下部结构1#中墩采用D=1.3m的混凝土柱接四桩承台及D=1.0m钻孔灌注桩，2#、3#中墩采用D=1.5m的混凝土柱接四桩承台及D=1.0m钻孔灌注桩；0#台为重力式桥台接D=1.0m钻孔灌注桩，4#轴为盖梁接D=1.0m双柱、四桩承台及D=1.0m的钻孔灌注桩。1#、3#中墩顶采用TP7000GDZ固定抗震型盆式支座，2#中墩顶采用TPZ8000GDZ固定抗震型盆式支座，0#轴及4#轴为板式橡胶支座，规格为65cm×35cm×6.3cm。5.1工程加固前技术状况检测单位对四惠立交北向东匝道桥7-1#桥进行了桥梁专项检测，支座病害分级统计见表1；桥梁桥两端伸缩缝外侧钢轨的高差检测位移测点及结果见图5、表2。根据CJJ99—2003《城市桥梁养护技术规范》中的有关规定要求及桥梁完好状况评估标准，四惠立交北向东匝道桥评定等级为B级，评为良好状态。表1支座病害分级评定统计表图5位移测点位置示意图表2伸缩缝高差5.2有限元建模分析根据设计图纸、桥梁实体结构，利用MIDAS/Civil空间有限元程序对四惠立交北向东匝道桥7-1#桥原桥进行复核验算，采用空间梁单元模拟桥梁上部主梁，在《城市桥梁设计荷载标准》规定的不利组合标准荷载工况下，两桥台内侧支座均存在支座负反力，表明桥梁在端部处支座并非完全受压，桥梁受力状态不利。根据独柱支承桥梁抗倾覆稳定验算方法中的稳定系数法内容，四惠立交北向东匝道桥7-1#桥存在支座脱空，则选取造成支座脱空的最不利偏载情况的荷载系数为现况桥梁抗倾覆安全系数，考虑到现场检测抗震锚栓处于完好状态，桥梁抗倾覆安全系数K=1。当独柱支承桥梁支座脱空后可能会产生的不利情况有：（1）上部结构主梁虽然明显沿横向变位，内侧支座脱空后，外侧未脱空支座反力大幅增加，导致未脱空支座承受荷载超过设计荷载值，与现场检测结果一致；（2）内侧支座脱空后，上部结构产生变位，导致墩顶水平力超出支座摩阻力，梁体在温度等因素共同作用下产生水平滑移，加大了上部结构的倾覆力矩，造成其他支座也易出现脱空状态；（3）支座脱空后，上部结构主梁实际受力状态与设计状态产生很大区别，主梁内力状态发生了较为明显的改变，主梁弯矩、剪力等大幅提高，超过了上部结构主梁的设计承载能力，从而导致主梁产生损伤破坏。因此四惠立交北向东匝道桥7-1#桥有一定的安全隐患，要防止桥梁出现横向失稳的情况发生，有必要对桥梁采取加固措施。5.3抗倾覆加固措施根据建模计算结果、现场情况核查及专家评审意见，确定四惠立交北向东匝道桥7-1#桥桥梁抗倾覆加固维修措施为：（1）全桥顶升更换0轴及4轴板式橡胶支座；（2）1、2、3轴圆墩增大截面加固为片墩，墩柱顶沿径向在现况支座两侧各增加一个抗倾覆辅助可调高单向滑动支座，原支座保留；（3）恢复1、2、3轴抗震设施，0轴、4轴增设拉力装置。如图6所示。图6四惠立交北向东匝道桥7-1#桥加固措施平面示意图（单位：cm）5.4抗倾覆加固前后结构受力对比分析根据加固前后桥梁支座反力对比分析数据得出：四惠立交北向东匝道桥7-1#桥结构加固后两桥台内侧支座均为支座正反力，大大缩小了联端的支座反力差值，联端的支座受力比较均匀，此外1#~3#墩增加可调高单向滑动支座后各原位上的支座受力状况得到了改善，支座反力均满足支座承载力要求。再次计算加固后的四惠立交北向东匝道桥7-1#桥抗倾覆安全稳定系数K=2.5，与加固前仅K=1相比取得了较大幅