论文部分内容阅读
摘 要：近年来桥梁建设中，独柱墩桥梁因其占地小、桥下遮挡少等优点，受到了许多地区的青睐，但随着时间的推移，独柱墩桥梁横向稳定性欠佳的弊端逐渐暴露出来，桥梁垮塌事故时有发生。本文简单分析了独柱墩桥梁倾覆的原因，并就如何进行加固设计展开了详细的探讨，以期为相关技术人员提供有益参考。
关键词：独柱墩桥梁;抗倾覆;加固设计
中图分类号：U445.72 文献标识码：A
0 前言
受地形、交通、城市景观等的影响，近十余年我国陆陆续续建设了大量的独柱墩桥梁，这种桥梁不仅能优化城市低空间布局，还能美化桥梁外观，在城市立交桥、高速互通匝道桥工程项目中应用尤为广泛。然而，随着经济的发展，我国桥梁工程面临的交通压力与日俱增，因车辆超载、偏载而发生的独柱墩桥梁倾覆事故时有发生，亟须我们去关注和解决。
1 独柱墩桥梁病害原因分析
1.1 桥梁支座影响
支座脱空、支座剪切破坏是造成独柱墩桥梁倾覆的常见原因之一，在高速公路互通匝道弯桥梁中尤其常见。在曲率的影响下，弯桥本身受力特性就十分独特，即使桥面载荷对称，弯桥也容易发生扭转，再加上桥梁使用过程中外界温度变化的影响，箱梁受到的扭矩是十分不均匀的，很容易发生外梁超载、内梁卸载的现象。此外，当弯桥中支座内外两侧受力不均，在恒载影响下，也容易产生负反力，偏心载荷长期作用易导致支座脱空，影响主梁结构。作为影响支座脱空的因素之一，支座间距调整的可操作性最强，可以在设计中予以考虑。
1.2 上部结构影响
独柱墩桥梁抗倾覆能力和稳固性不仅与其下部结构息息相关，同时也与其上部结构有关，据相关研究，桥梁的横向抗倾覆系数会随着桥梁容量的增加而增大[1]，在其它条件不变的情况下，比起钢箱梁或组合梁，钢筋混凝土梁的容量更大，抗倾覆能力也相对更强。其次，在上下部结构的连接方式上，许多独柱墩桥梁会选择墩梁固结的方式，这种方式理论上可以缓解墩柱压力，防止主梁变形，但使用过程中墩梁固结处却有可能在长期偏心载荷的作用下发生开裂等病害，为主梁倾覆埋下隐患。
1.3 桥梁柱墩影响
多跨度柱墩大多采用的是连续箱梁结构，以连续单点支座为基础的若干个独柱墩，是整个桥梁的中心支点，当桥面车辆偏载情况发生时，这种扭矩力就会以支点为轴线作用在主梁上，而独柱墩本身抗扭矩能力又极弱，在横向弯矩和急剧增大的水平剪力[2]的共同作用下，柱墩实际负荷很容易超过其自身承载能力，从而发生主梁倒塌、倾覆的现象。值得注意的是，车辆超载、偏载在很多案例中都是诱发桥梁倾覆的直接因素，管理部门一定要引起高度重视，加大超载处罚力度，以免使独柱墩桥梁长期处于超负荷状态。
2 独柱墩桥梁抗倾覆及加固设计
2.1 桥梁上部结构的优化设计
独柱墩桥梁倾覆事故的发生不是一蹴而就的，而是在长期的、多方面不良因素的综合影响下产生的，它的发展具有明显的阶段性，车辆偏载引起支座脱空是第一阶段，桥梁上部结构在持续超载运作过程中引发结构失稳是第二阶段，最终导致倾覆的发生，桥梁建设主管部门应当引起重视，及时发现桥梁倾覆趋势，采用适宜的方案进行加固施工，避免倾覆事故的发生。桥梁上部结构在一定程度上影响着桥梁的横向抗倾覆系数，在独柱墩桥梁加固设计中，应当将上部结构容量提升纳入思考方向。承建单位可以在桥梁底部增设钢桁梁，利用锚栓将其与横梁紧固在一起，直接对横梁现浇混凝土进行植筋，以达到加宽加长横梁的目的，从而使独柱墩桥梁内外侧支座受力趋于平衡，在此基础上，还可以增设拉压支座，以抵抗载荷作用下产生的扭矩力，缓解主梁压力，提升独柱墩结构的抗倾覆能力。这种方式操作简便，也不会影响独柱墩桥梁整体的美观性能，实用性较强。
2.2 桥梁下部结构的加固设计
（1）增设抗拉装置。在桥梁边墩设置抗拉装置，能够有效避免桥梁结构因支座脱空而产生改变，常见的抗拉装置有抗拉板、拉杆等，通过锚栓与原结构相连，从而提升桥梁横向抗倾覆性能。在抗拉施工开始前，施工单位应当先对桥梁进行无损检测，找准受力钢筋的位置，在不损害原有结构的基础上进行钢板开孔，为确保构件强度，可以事先对其进行抗拉拔试验。在施工过程中，要先细致清理构件表面，按照设计要求的直径在钢板上钻孔，钻孔深度略深于钢筋埋设深度即可，尽可能保证孔道顺直，钻孔完成后，要注意用压缩空气对孔内进行清理，吹完灰后一般再用硬毛刷刷3次即可，要保证钻孔内壁干燥无尘。其次，在钢板安装时，应当先将混凝土和钢板表面均匀涂抹上粘钢胶，厚度2 mm～3 mm即可，并按照预定空位安装螺杆和螺母，使用扳手和长套筒对螺母进行锚固加压，以确保其紧固性。要注意检查钢板与混凝土之间的黏性，如果发现缝隙，要及时进行补胶处理。胶体固化之前，施工人员可以用小锤敲击测试，防止空鼓现象的发生。这种施工方式规模较小，构造简单，操作便捷，施工过程中不会影响桥上的正常通行，也不会对桥体原本构造产生不利影响，但其抗拔力会受到构件尺寸的限制，实际抗拔效果一般。此外，还可以在桥梁上下部结构之间增设连接装置来完成加固，独柱墩桥梁上下部连接装置可以利用自身的竖向承载力削弱持续载荷下支座的竖向返利，从而防止支座脱空，降低桥梁倾覆事故的发生机率。可以采用吊杆、锚具所组成的吊杆式连接结构，也可以是拉杆连接结构，它们的原始预应力可以转化为独柱墩桥梁支座的压力储备，与扭矩力相互抵消，防止支架脱空，结构改变。
（2）增设梁盖。对于本身刚度较大的独柱墩，可以采用增设梁盖的施工方案进行加固，其设计思路是通过钻孔和钢构件预制加工来增设梁盖，并在新增梁盖上设置支座系统，这样桥梁受到扭矩力时就可以由单点支撑转为多点支撑，避免倾覆发生。桥梁加固用钢结构在某些情况下会受到较大的集中应力，因此在工厂预加工阶段一定要做好质量控制。首先是钢材选择，一般采用Q345C钢板，要注意选择手续齐备、业务正规的厂家，钢材一定要有出厂质量证明。其次在钢材焊接上，主要受力焊缝为一级焊缝，要经过严格的超声波探伤抽检，不应出现咬边等缺陷;加劲肋焊缝则为二级焊缝[3]，要避免出现气孔、夹渣等缺陷，除特殊标注外，应全部采用气体保护焊或埋弧自动焊接。构件完成制作后运抵现场进行安装，要注意合理控制安装标高，切忌超高设计高程，安装完成后，要在預留孔位植入高强螺栓并紧固。植筋时，先对钢筋进行人工除锈，然后对孔内注入植筋胶，胶量大致为孔深的2/3，然后手握钢筋缓缓插入，确保植筋胶与钢筋充分接触，待植入钢筋达到固结要求后，就可以进行绑扎、焊接和养护了。此外，支座安装也要遵循一定的工艺流程：第一步是安装盆式支架上钢板，在放样钻孔后对4个孔洞进行螺栓植埋，并适当上调平块，可以采用结构胶平衡梁底结构，消除纵横坡。第二步是安装下钢盆，要利用螺栓将整个支座钉死在梁底，为使支座更加牢固，还要用钢筋网片对钢盆和剪力钉之间的缝隙进行绑扎，并浇筑灌浆料。增设梁盖的方式让单支撑体系的独柱墩桥梁转变为了多支撑体系，抗倾覆效果较好，且不影响周围交通，缺点是构件尺寸较大，构造较为复杂，还需要增设支座，经济成本较高。 （3）增设桩柱。支座间距是影响独柱墩桥梁稳定性的重要因素之一，在柱墩位置增设立柱，并在立柱顶上设置支座，可以使支座间距拉长，增强抗倾覆能力，材料可选择混凝土柱、钢柱等，要特别注意原桥梁结构与新增桩柱之间的连接问题。立柱施工应当严格按照图纸进行，河中的立柱施工难度较大，应当先对水下淤泥情况进行排查，借助挖机清挖淤泥，为防止清除后淤泥二次回拢，可以适当扩大清除范围。清淤工作完成后方可进行承台顶面清理，可以利用水下凿除工具对顶面立柱安装位置进行整平作业。清除工作完成后，就可以将钢柱或混凝土柱下放，下放过程中注意用千斤顶承托梁底，然后进行横向连接，并安装盆式支座。此外，钢柱因此金属性质较易受到外界环境的腐蚀和影响，如果施工方采用的是钢材质立柱，还要注意做好防腐保护，在喷砂除锈后对所有板件喷涂车间底漆、环氧富锌底漆、环氧云铁漆等，在有水路段，钢柱下部是直接插入水中的，因此防腐工作要在出厂前就准备完成。如果运输过程中因为磕碰发生局部掉落，还应注意补涂。如果采用的是钢筋混凝土立柱，则要注意控制好混凝土配比以及搅拌、振荡工艺，确保混凝土不会因为收缩、徐变产生裂缝。通过增设立柱，单支承独柱墩桥梁转变为双支承，抗倾覆能力提升较为显著，可靠性极高，工艺流程简单，质量也相对好控制。但应用于城市时，容易挤占桥梁下部空间，影响行车交通，因此施工前一定要综合考虑现场地质情况、桥下孔家你等因素。
2.3 中墩支撑偏心距调整设计
除载荷压力、支座间距等因素外，桥墩偏心距也在一定程度上影响着桥梁的抗倾覆性能，据相关研究显示，桥梁的横向抗倾覆系数会随着独柱墩曲线外侧与偏心的增大而提升。在外侧弧线長于内侧弧线的曲线桥梁中，这种规律表现更为明显，由于重心不在中心线处，桥梁必然会在长期的行车载荷作用下产生弯-扭耦合作用，并引发支座内外侧受力不均的问题，最终导致倾覆事故发生。在独柱墩曲线梁桥中合理设置偏心距，就相当于往中心支点施加了一个集中扭矩力，有利于促进扭矩的均匀分布，缓解支点截面的扭矩，从而改善支座受力情况，提升独柱墩桥梁的横向稳定性。
3 结论
在独柱墩桥梁中，桥梁曲线半径、支座间距、上部结构恒载等都会影响桥梁横向抗倾覆性能，因此在施工中，要尽量选择多支座墩型，并适当拉大支座间距，合理设置中墩支撑偏心距，结合实际情况对增设梁盖、增加墩柱、增设抗拉装置等方案进行选用。同时，作为主要的桥梁倾覆原因，车辆超载、偏载现象在我国屡禁不止，相关部门也要加大查处力度，以减少独柱墩桥梁倾覆事故的发生。
参考文献：
[1]林孔斌.独柱墩桥梁抗倾覆因素研究[J].福建交通科技，2020（4）：135-138.
[2]陈园园.浅谈独柱墩桥梁横向抗倾覆加固措施[J].建材与装饰，2018（30）：285-286.
[3]李维俊，王榃.独柱墩抗倾覆加固设计及应用的探讨[J].四川水泥，2021（4）：327-328.
作者简介：简建军（1985-），男，湖北黄冈人，本科，工程师，从事桥梁设计工作。
关键词：独柱墩桥梁;抗倾覆;加固设计
中图分类号：U445.72 文献标识码：A
0 前言
受地形、交通、城市景观等的影响，近十余年我国陆陆续续建设了大量的独柱墩桥梁，这种桥梁不仅能优化城市低空间布局，还能美化桥梁外观，在城市立交桥、高速互通匝道桥工程项目中应用尤为广泛。然而，随着经济的发展，我国桥梁工程面临的交通压力与日俱增，因车辆超载、偏载而发生的独柱墩桥梁倾覆事故时有发生，亟须我们去关注和解决。
1 独柱墩桥梁病害原因分析
1.1 桥梁支座影响
支座脱空、支座剪切破坏是造成独柱墩桥梁倾覆的常见原因之一，在高速公路互通匝道弯桥梁中尤其常见。在曲率的影响下，弯桥本身受力特性就十分独特，即使桥面载荷对称，弯桥也容易发生扭转，再加上桥梁使用过程中外界温度变化的影响，箱梁受到的扭矩是十分不均匀的，很容易发生外梁超载、内梁卸载的现象。此外，当弯桥中支座内外两侧受力不均，在恒载影响下，也容易产生负反力，偏心载荷长期作用易导致支座脱空，影响主梁结构。作为影响支座脱空的因素之一，支座间距调整的可操作性最强，可以在设计中予以考虑。
1.2 上部结构影响
独柱墩桥梁抗倾覆能力和稳固性不仅与其下部结构息息相关，同时也与其上部结构有关，据相关研究，桥梁的横向抗倾覆系数会随着桥梁容量的增加而增大[1]，在其它条件不变的情况下，比起钢箱梁或组合梁，钢筋混凝土梁的容量更大，抗倾覆能力也相对更强。其次，在上下部结构的连接方式上，许多独柱墩桥梁会选择墩梁固结的方式，这种方式理论上可以缓解墩柱压力，防止主梁变形，但使用过程中墩梁固结处却有可能在长期偏心载荷的作用下发生开裂等病害，为主梁倾覆埋下隐患。
1.3 桥梁柱墩影响
多跨度柱墩大多采用的是连续箱梁结构，以连续单点支座为基础的若干个独柱墩，是整个桥梁的中心支点，当桥面车辆偏载情况发生时，这种扭矩力就会以支点为轴线作用在主梁上，而独柱墩本身抗扭矩能力又极弱，在横向弯矩和急剧增大的水平剪力[2]的共同作用下，柱墩实际负荷很容易超过其自身承载能力，从而发生主梁倒塌、倾覆的现象。值得注意的是，车辆超载、偏载在很多案例中都是诱发桥梁倾覆的直接因素，管理部门一定要引起高度重视，加大超载处罚力度，以免使独柱墩桥梁长期处于超负荷状态。
2 独柱墩桥梁抗倾覆及加固设计
2.1 桥梁上部结构的优化设计
独柱墩桥梁倾覆事故的发生不是一蹴而就的，而是在长期的、多方面不良因素的综合影响下产生的，它的发展具有明显的阶段性，车辆偏载引起支座脱空是第一阶段，桥梁上部结构在持续超载运作过程中引发结构失稳是第二阶段，最终导致倾覆的发生，桥梁建设主管部门应当引起重视，及时发现桥梁倾覆趋势，采用适宜的方案进行加固施工，避免倾覆事故的发生。桥梁上部结构在一定程度上影响着桥梁的横向抗倾覆系数，在独柱墩桥梁加固设计中，应当将上部结构容量提升纳入思考方向。承建单位可以在桥梁底部增设钢桁梁，利用锚栓将其与横梁紧固在一起，直接对横梁现浇混凝土进行植筋，以达到加宽加长横梁的目的，从而使独柱墩桥梁内外侧支座受力趋于平衡，在此基础上，还可以增设拉压支座，以抵抗载荷作用下产生的扭矩力，缓解主梁压力，提升独柱墩结构的抗倾覆能力。这种方式操作简便，也不会影响独柱墩桥梁整体的美观性能，实用性较强。
2.2 桥梁下部结构的加固设计
（1）增设抗拉装置。在桥梁边墩设置抗拉装置，能够有效避免桥梁结构因支座脱空而产生改变，常见的抗拉装置有抗拉板、拉杆等，通过锚栓与原结构相连，从而提升桥梁横向抗倾覆性能。在抗拉施工开始前，施工单位应当先对桥梁进行无损检测，找准受力钢筋的位置，在不损害原有结构的基础上进行钢板开孔，为确保构件强度，可以事先对其进行抗拉拔试验。在施工过程中，要先细致清理构件表面，按照设计要求的直径在钢板上钻孔，钻孔深度略深于钢筋埋设深度即可，尽可能保证孔道顺直，钻孔完成后，要注意用压缩空气对孔内进行清理，吹完灰后一般再用硬毛刷刷3次即可，要保证钻孔内壁干燥无尘。其次，在钢板安装时，应当先将混凝土和钢板表面均匀涂抹上粘钢胶，厚度2 mm～3 mm即可，并按照预定空位安装螺杆和螺母，使用扳手和长套筒对螺母进行锚固加压，以确保其紧固性。要注意检查钢板与混凝土之间的黏性，如果发现缝隙，要及时进行补胶处理。胶体固化之前，施工人员可以用小锤敲击测试，防止空鼓现象的发生。这种施工方式规模较小，构造简单，操作便捷，施工过程中不会影响桥上的正常通行，也不会对桥体原本构造产生不利影响，但其抗拔力会受到构件尺寸的限制，实际抗拔效果一般。此外，还可以在桥梁上下部结构之间增设连接装置来完成加固，独柱墩桥梁上下部连接装置可以利用自身的竖向承载力削弱持续载荷下支座的竖向返利，从而防止支座脱空，降低桥梁倾覆事故的发生机率。可以采用吊杆、锚具所组成的吊杆式连接结构，也可以是拉杆连接结构，它们的原始预应力可以转化为独柱墩桥梁支座的压力储备，与扭矩力相互抵消，防止支架脱空，结构改变。
（2）增设梁盖。对于本身刚度较大的独柱墩，可以采用增设梁盖的施工方案进行加固，其设计思路是通过钻孔和钢构件预制加工来增设梁盖，并在新增梁盖上设置支座系统，这样桥梁受到扭矩力时就可以由单点支撑转为多点支撑，避免倾覆发生。桥梁加固用钢结构在某些情况下会受到较大的集中应力，因此在工厂预加工阶段一定要做好质量控制。首先是钢材选择，一般采用Q345C钢板，要注意选择手续齐备、业务正规的厂家，钢材一定要有出厂质量证明。其次在钢材焊接上，主要受力焊缝为一级焊缝，要经过严格的超声波探伤抽检，不应出现咬边等缺陷;加劲肋焊缝则为二级焊缝[3]，要避免出现气孔、夹渣等缺陷，除特殊标注外，应全部采用气体保护焊或埋弧自动焊接。构件完成制作后运抵现场进行安装，要注意合理控制安装标高，切忌超高设计高程，安装完成后，要在預留孔位植入高强螺栓并紧固。植筋时，先对钢筋进行人工除锈，然后对孔内注入植筋胶，胶量大致为孔深的2/3，然后手握钢筋缓缓插入，确保植筋胶与钢筋充分接触，待植入钢筋达到固结要求后，就可以进行绑扎、焊接和养护了。此外，支座安装也要遵循一定的工艺流程：第一步是安装盆式支架上钢板，在放样钻孔后对4个孔洞进行螺栓植埋，并适当上调平块，可以采用结构胶平衡梁底结构，消除纵横坡。第二步是安装下钢盆，要利用螺栓将整个支座钉死在梁底，为使支座更加牢固，还要用钢筋网片对钢盆和剪力钉之间的缝隙进行绑扎，并浇筑灌浆料。增设梁盖的方式让单支撑体系的独柱墩桥梁转变为了多支撑体系，抗倾覆效果较好，且不影响周围交通，缺点是构件尺寸较大，构造较为复杂，还需要增设支座，经济成本较高。 （3）增设桩柱。支座间距是影响独柱墩桥梁稳定性的重要因素之一，在柱墩位置增设立柱，并在立柱顶上设置支座，可以使支座间距拉长，增强抗倾覆能力，材料可选择混凝土柱、钢柱等，要特别注意原桥梁结构与新增桩柱之间的连接问题。立柱施工应当严格按照图纸进行，河中的立柱施工难度较大，应当先对水下淤泥情况进行排查，借助挖机清挖淤泥，为防止清除后淤泥二次回拢，可以适当扩大清除范围。清淤工作完成后方可进行承台顶面清理，可以利用水下凿除工具对顶面立柱安装位置进行整平作业。清除工作完成后，就可以将钢柱或混凝土柱下放，下放过程中注意用千斤顶承托梁底，然后进行横向连接，并安装盆式支座。此外，钢柱因此金属性质较易受到外界环境的腐蚀和影响，如果施工方采用的是钢材质立柱，还要注意做好防腐保护，在喷砂除锈后对所有板件喷涂车间底漆、环氧富锌底漆、环氧云铁漆等，在有水路段，钢柱下部是直接插入水中的，因此防腐工作要在出厂前就准备完成。如果运输过程中因为磕碰发生局部掉落，还应注意补涂。如果采用的是钢筋混凝土立柱，则要注意控制好混凝土配比以及搅拌、振荡工艺，确保混凝土不会因为收缩、徐变产生裂缝。通过增设立柱，单支承独柱墩桥梁转变为双支承，抗倾覆能力提升较为显著，可靠性极高，工艺流程简单，质量也相对好控制。但应用于城市时，容易挤占桥梁下部空间，影响行车交通，因此施工前一定要综合考虑现场地质情况、桥下孔家你等因素。
2.3 中墩支撑偏心距调整设计
除载荷压力、支座间距等因素外，桥墩偏心距也在一定程度上影响着桥梁的抗倾覆性能，据相关研究显示，桥梁的横向抗倾覆系数会随着独柱墩曲线外侧与偏心的增大而提升。在外侧弧线長于内侧弧线的曲线桥梁中，这种规律表现更为明显，由于重心不在中心线处，桥梁必然会在长期的行车载荷作用下产生弯-扭耦合作用，并引发支座内外侧受力不均的问题，最终导致倾覆事故发生。在独柱墩曲线梁桥中合理设置偏心距，就相当于往中心支点施加了一个集中扭矩力，有利于促进扭矩的均匀分布，缓解支点截面的扭矩，从而改善支座受力情况，提升独柱墩桥梁的横向稳定性。
3 结论
在独柱墩桥梁中，桥梁曲线半径、支座间距、上部结构恒载等都会影响桥梁横向抗倾覆性能，因此在施工中，要尽量选择多支座墩型，并适当拉大支座间距，合理设置中墩支撑偏心距，结合实际情况对增设梁盖、增加墩柱、增设抗拉装置等方案进行选用。同时，作为主要的桥梁倾覆原因，车辆超载、偏载现象在我国屡禁不止，相关部门也要加大查处力度，以减少独柱墩桥梁倾覆事故的发生。
参考文献：
[1]林孔斌.独柱墩桥梁抗倾覆因素研究[J].福建交通科技，2020（4）：135-138.
[2]陈园园.浅谈独柱墩桥梁横向抗倾覆加固措施[J].建材与装饰，2018（30）：285-286.
[3]李维俊，王榃.独柱墩抗倾覆加固设计及应用的探讨[J].四川水泥，2021（4）：327-328.
作者简介：简建军（1985-），男，湖北黄冈人，本科，工程师，从事桥梁设计工作。