Research on Anti-overturning Reinforcement Technology of Single-column Pier Continuous Beam Bridge

He Zhaojian

(Shanxi Transportation New Technology Development Co. , Ltd. , Taiyuan ，Shanxi  030006，China)

Abstract: In order to prevent the single-column Pier Bridge from overturning accident, taking a high-speed separated continuous single-column Pier Bridge in Shanxi Province as an example, through the stability checking analysis, the reinforcement design scheme of adding steel cap beam and anti-pull pin is put forward. The engineering practice shows that the scheme of adding steel cap beam and anti-pull pin can effectively improve the stability of bridge against overturning.

Key words: steel cap beam, anti-pull pin, single column pier, anti-overturning, reinforcement

独柱墩桥梁以其占地面积少、结构美观、视野开阔的优点，在高速和城市道路立交桥等桥梁建设中得到广泛的运用。但由于独柱墩在横桥向采用单点支撑，在汽车偏载、离心力等作用下，对结构的横向抗倾覆稳定性非常不利，会出现因受力不均、受偏压力过大而失去稳定性，发生坍塌事故。

现阶段车辆动力充足，马力大，承载量高，车辆为了节约运输成本，不断增加车辆的载重量，出现超载现象，从而超出独柱桥梁自身的承载范围。我国2019年10月江苏无锡发生了独柱墩桥梁坍塌事故，因为半挂牵引车严重超载导致桥梁发生侧翻，出现人员伤亡。

本文以山西某高速独柱墩连续梁桥抗倾覆加固为例，通过稳定验算分析，提出了独柱墩抗倾覆的加固设计方案，并在工程实践中得到应用。

1 独柱墩桥梁倾覆原因分析^[1]

    1.1独柱墩桥梁的上下部结构受力性能都能满足桥梁设计规范要求，但是桥墩横向支承体系为单支点支承，在偏载作用下，其结构受力抗倾覆稳定性差，导致桥梁整体抗倾覆稳定性不足，在超载车辆偏载通过时，存在桥梁梁体侧翻和独柱墩被破坏的安全隐患。

    1.2独柱墩属于偏心受力构件，若桥墩高度或者桥墩墩身回旋半径小，在超载车辆偏心作用下，支座会出现较大的横桥向水平力，从而会造成桥梁墩柱根部截面的弯剪破坏。

2 工程概况

山西某高速公路跨线桥独柱墩连续梁共四跨，布置形式为20+2×30+20m，连续箱梁结构。主桥梁高1.8m，横坡由桥面板形成，底板水平，单箱双室结构，顶宽12m，底宽7.2m。下部结构中间采用独柱墩，桥墩直径均为1.6m和1.8m，钻孔灌注桩基础。独柱墩桥梁立面如图1：

图1  桥梁立面图

3抗倾覆结构的验算

本桥为四跨一联结构，在不利荷载下，排查验算横向抗倾覆稳定性系数K_qf=1.47（规范规定K_qf≥2.5），且排查验算支座出现负反力，不能满足规范规定的要求，需通过加固措施来提高桥梁的抗倾覆性能。

4 加固方案比选及方案确定

4.1加固方案比选

根据结构受力特点及实际结构构造条件的限制，对加固方案进行比选^[2]：

方案一：设抗拔约束装置

通过在边墩设置抗拔装置，避免因边支座的脱空改变结构体系，增强横向抗倾覆性能。

方案优点：

1）构造设计几乎不影响结构原有受力模式。

2）抗拔销装置构造简单，工程量较小，施工方便，不影响桥上正常交通。

方案缺点：

因锚固构造及其构造空间的限制，抗拔销拉拔力设计值较小，适用的加固桥梁范围较少。

方案二：多墩加盖梁改多支承

通过在多个中间墩墩顶增设盖梁，将中间墩单支承改为多支承体系，提高结构抗扭转变形能力。

方案优点：

多个中间墩单支承改为多支承，根据计算确定支承的距离，有条件时须确保梁体在多倍活载作用下边支座仍不发生脱空，使得箱梁在不利工况下支承体系不会发生变化，基本可确保箱梁不会发生倾覆破坏。

方案缺点：

1）改变了原有箱梁横梁的受力模式，横梁由原来的负弯矩受力变为正弯矩受力，需结合结构配筋重新进行验算，必要时需对横梁进行加固。

2）需检查增加盖梁后可能对桥下净空的影响。

3）需对处理后中间墩进行强度验算。

4）施工过程涉及植筋，浇筑混凝土，增设支座等，工序较为繁琐。

方案三：单墩加强改多支承

部分中间桥墩单支承改为多支承，加强主梁中墩处抗扭转能力，以满足桥梁抗倾覆稳定性要求。同时通过增加桩柱、包裹墩柱等截面增大措施，提高中墩强度，以满足改双支承后墩身内力增加的需要。具体操作时，又可根据现场实际条件，细分为如下方案：

1）桥宽较大时，可在原有墩柱两侧增设墩桩。

2）桥宽较小时，可在原有桩基两侧增设桩基，通过承台连接成群桩，而后对墩柱进行包裹、增设盖梁形成多支承。

3）原设计带承台的独柱墩，可对原有圆柱墩进行包裹，增大墩柱的截面。

方案优点：

1）可靠性好。中墩单支承改为双支承，根据计算确定双支承的距离，有条件时须确保在多倍活载作用下边支座仍不发生脱空，使得主梁在不利工况下支承体系不发生变化，可确保主梁不会发生倾覆稳定破坏。同时通过措施提高墩柱的强度，有效提高墩柱的安全性。

2）一联箱梁通常可只需要处理单个墩，即能满足桥梁抗倾覆要求。

3）景观效果较好。

4）加固施工基本不影响通行。

5）对各种情况的连续梁均有较好的适应性。

方案缺点：

1）改变了原有箱梁横梁的受力模式，需结合结构配筋进行结构验算。

2）需检查增加墩柱、盖梁后可能对桥下净空的影响。

3）施工过程涉及桩基施工，梁体顶升，安装支座等，工期较长。

4）对于部分桥墩位于深水中、 路线中央的桥梁适用性不佳。

4.2加固方案确定

由于施工条件受限，不具备增加桩柱施工条件。因此，结合原桥技术指标、运营现状、施工条件、场地条件、工程造价和方案整体协调性等因素综合考虑，确定了本桥的抗倾覆加固方案为增设钢盖梁+抗拔销方案（如图2~图4），从而达到既不改变原结构受力体系，又能提高横向抗倾覆稳定性系数的目的。

图2 桥梁加固结构形式

图3  增设钢盖梁                                  图4 增设抗拔销

对中间三个独柱墩均增设钢盖梁，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）关于抗倾覆性能的计算要求，改造后在现行规范设计荷载组合下，该桥整体式箱梁各支座均不出现负反力，抗倾覆稳定性系数K_qf达到4.2（>2.5），满足规范要求。

5、改造后的独柱墩墩柱验算

选取墩高最高的独柱墩进行验算，验算增加钢盖梁后，原有墩柱的承载能力极限状态、正常使用极限状态是否满足规范（原设计采用规范）要求^[3]。改造后将单点支撑调整为横向三点支撑，恒载反力由原支座承受，活载反力由三个支座共同承担，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，根据以上原理进行混凝土独柱墩墩柱偏心受压承载力计算。

采用迈达斯软件建立结构计算模型（如图5），全桥离散为123个节点，100个单元。永久作用包括自重、二期恒载，可变作用为汽车荷载（包含冲击系数）。汽车荷载按公路I级考虑，偏载作用下，桥墩进行偏心受压承载力和钢盖梁承载力计算，均满足要求。

图5  偏载作用有限元模型

6、施工要点

1）为了最大程度的提高钢结构盖梁的使用寿命及可靠性，钢结构盖梁与混凝土墩柱结合面的连接方式采用“高强锚栓+粘钢胶”的方案，钢结构盖梁栓接抱箍原墩柱形成整体后，再通过“高强锚栓+粘钢胶”的方式与原墩柱进行连接，极大的提高了整个盖梁的整体性。

2）抗拔销安装拉杆安装需结合施工时的温度和联长，适当调整上下锚板在顺桥向的位置，确保梁体在温度引起的收缩膨胀变形作用下，不产生附加内力。

3）需对锚固工程进行抗拔承载力现场检验，检验按《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2013附录锚固承载力现场检验方法进行。

4）避免对原钢筋的破坏。在给独柱墩桥梁增设抗拔施工之前，需对独柱墩桥梁本身状况进行检查，确定桥梁整体质量，准确找出钢筋的位置。

6、结论

本文以山西某高速分离式立交连续独柱墩桥梁抗倾覆加固为例，分析独柱墩桥梁的横向抗倾覆问题，通过方案比选及稳定验算分析，提出了“增设钢盖梁+抗拔销”的针对性加固措施。工程实践表明，“增设钢盖梁+抗拔销”的方案既能有效提高桥梁的抗倾覆稳定性，还能够保证原结构的稳定性，为以后独柱墩桥梁加固提供了可靠的经验。

参考文献

[1] 孙玉花，崔筱. 独柱墩桥梁抗倾覆稳定性影响因素研究[J].交通世界，2021（8）：95-97

[2] 谌润水，胡钊芳，帅长斌.公路旧桥加固技术与实例[M].北京：人民交通出版社，2002

[3] 叶见曙.结构设计原理[M].北京：人民交通出版社，2005