摘要:在現(xiàn)代橋梁建設(shè)中，獨柱墩橋梁不僅可以提高低空間布局和視野，而且能夠?qū)蛄和庥^起到美化的作用，曾被廣泛運用于高速公路互通匝道橋以及城市立交橋等項目中，其(對應(yīng)的上部)通常為連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)。獨柱墩橋梁在偏載情況下，易導(dǎo)致橋梁的抗傾覆能力下降。本文針對獨柱墩橋梁傾覆原因進行分析，并對后期運營管控及加固設(shè)計提出了建議。
關(guān)鍵詞:獨柱墩橋梁;抗傾覆;安全;加固
近年來，隨著交通流量不斷增大，超載以及重型車輛日益增加，加之超速行駛等情況時有發(fā)生，致使獨柱橋墩橋梁運營中發(fā)生梁體扭轉(zhuǎn)及變形、支座受力不均及脫空等情況，危及橋梁安全。最嚴(yán)重的情況下，可能會發(fā)生橋梁傾覆等安全事故(如圖1所示)。因此，對獨柱墩橋梁傾覆原因進行分析，對其加固設(shè)計進行探究，具有現(xiàn)實意義。全國交通系統(tǒng)對國省干道上的獨柱墩橋梁展開了全面的技術(shù)狀況排查和驗算評估工作。筆者有幸參與了廣東省、四川省等多條高速公路上的獨柱墩橋梁驗算評估工作，本文對傾覆原因及加固設(shè)計進行闡述。
1橋梁傾覆事故原因
獨柱墩橋梁在施工和運營過程中容易受到外界諸多條件影響。對近年來獨柱墩橋梁傾覆和垮塌現(xiàn)場進行剖析，可大致還原出橋梁垮塌前的情景:多輛嚴(yán)重超載貨車(一般為橋梁設(shè)計荷載等級的兩倍以上)或重型車輛均沿獨柱墩橋梁的單側(cè)行駛，從而引起橋梁嚴(yán)重偏心受載，使橋梁支座出現(xiàn)了單邊脫空，導(dǎo)致橋梁梁體橫向側(cè)翻。
2獨柱墩傾覆的表現(xiàn)
獨柱墩橋梁傾覆的主要表現(xiàn)有支座脫空、支座剪切破壞、主梁滑移或外側(cè)傾覆等。就近年發(fā)生獨柱墩傾覆或坍塌事故現(xiàn)場來看，橋梁傾覆事故多發(fā)生在連續(xù)獨柱墩的曲線連續(xù)箱梁橋上，現(xiàn)場情況多為箱梁梁體橫向側(cè)翻，導(dǎo)致橋墩破壞或折斷，但箱梁梁體幾乎未損毀。
3獨柱墩橋梁傾覆原因
3．1橋梁支座受力分析。橋梁支座在高負荷的情況下會發(fā)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形，從而造成受力不均。若扭矩不斷加大，則會導(dǎo)致支座發(fā)生不均勻變形。獨柱墩橋梁梁體在荷載作用下，通常會產(chǎn)生縱向彎曲，從而對耦合作用進行扭轉(zhuǎn)，致使橋梁內(nèi)側(cè)卸載，外側(cè)部位超載，在內(nèi)外支座在受力不均的情況下，易引發(fā)支座與梁體脫離的情況。
3．2傾覆軸線的確定及傾覆臨界分析。獨柱墩橋梁根據(jù)自身獨特的現(xiàn)場特點，結(jié)合規(guī)范對傾覆軸線的定義，梁體的傾覆軸線一般有多條，但最不利傾覆軸線有且僅有1條。本文以廣東省某高速的一聯(lián)曲線獨柱墩匝道橋的抗傾覆計算為例。本聯(lián)獨柱墩橋梁上部為(20+30+30+20)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部13#、14#、16#和17#橋墩采用雙柱式橋墩，15#橋墩采用獨柱式(墩梁固結(jié))橋墩。根據(jù)對傾覆軸線分析，可知本聯(lián)橋梁共有4種傾覆軸線，如圖2～5所示。根據(jù)計算結(jié)果顯示:本聯(lián)獨柱墩橋梁的最不利傾覆軸線為第一種傾覆軸線，其抗傾覆安全系數(shù)為15．3，滿足抗傾覆要求。獨柱墩橋梁傾覆垮塌是一個階段性且持續(xù)發(fā)生的過程，只因橋梁傾覆發(fā)生時，導(dǎo)致單向受壓支座沿傾覆軸線脫空，造成邊界條件失效，從而失去平衡的一個過程。橋梁結(jié)構(gòu)傾覆前并無明顯征兆，毀壞是瞬間發(fā)生的。
4獨柱墩橋梁運營管理及加固設(shè)計的建議
為避免橋梁傾覆事故發(fā)生，橋梁在設(shè)計階段應(yīng)加強其抗傾覆能力進行驗算。對于已通車運營的獨柱墩橋梁，應(yīng)盡快開展對獨柱墩橋梁的專項驗算評估工作，根據(jù)驗算評估報告結(jié)論，對于存在安全隱患或不滿足抗傾覆驗算的橋梁，須及時進行加固設(shè)計和加固施工;對滿足抗傾覆驗算的橋梁，還應(yīng)在后期運營過程中加強監(jiān)督和管理。2012年全國各大設(shè)計院均參照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTGD62—2012)〔征求意見稿〕對既有獨柱墩橋梁的抗傾覆、支座及橋墩支承安全等技術(shù)指標(biāo)進行嘗試性的驗算評估。目前《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG3362—2018)版規(guī)范已對橋梁抗傾覆計算提出了明確、系統(tǒng)的計算方法。
1)運營管理方面。國家對獨柱墩橋梁傾覆事故調(diào)查結(jié)果顯示，除橋梁結(jié)構(gòu)本身在設(shè)計方面存在缺陷外，更為重要的原因是在運營過程中，橋梁權(quán)屬單位對嚴(yán)重超載車輛缺乏管制，交通標(biāo)識設(shè)置存在缺陷等諸多原因，從而致使橋梁傾覆，引發(fā)事故。因此，獨柱墩橋梁除了設(shè)計因素外，更為重要的是加強運營方面的管理。獨柱墩橋梁權(quán)屬單位應(yīng)加強管理，有效控制超載，對獨柱墩橋梁進行限載通行，可采取應(yīng)急措施，設(shè)置限高架，禁止重車(超載車輛)上橋(限高架設(shè)置如圖6所示)等;同時在獨柱墩橋梁外側(cè)護欄設(shè)立交通標(biāo)識，禁止重車靠邊行駛或停放;定期對高速公路進行巡查，特別是針對獨柱墩橋梁的例行檢查。
2)獨柱墩橋梁加固設(shè)計建議。獨柱墩橋梁加固設(shè)計應(yīng)結(jié)合本橋特點，根據(jù)橋梁的驗算評估結(jié)論，本著安全第一的原則，以經(jīng)濟合理、縮短交通影響時長以及施工便捷為目的，對橋梁外觀及結(jié)構(gòu)進行加固設(shè)計。因每座獨柱墩橋梁的地形地貌、地質(zhì)情況及施工條件方面均不相同，本文提出幾個常規(guī)性獨柱墩橋梁加固設(shè)計方案。
(1)因為獨柱墩單點鉸支座存在一定的缺陷，其不能有效地提供梁體抗傾覆力矩。目前獨柱墩橋梁加固設(shè)計中常用的方法是在獨柱墩位置增設(shè)橋墩或者獨柱墩墩頂增設(shè)蓋梁，實現(xiàn)獨柱墩從單支座到多支座的有效轉(zhuǎn)變，改善梁體扭矩分布，提高梁體橫向穩(wěn)定性，大大提高梁體的抗傾覆能力。
(2)獨柱墩曲線橋梁在偏心荷載及溫度作用下，結(jié)構(gòu)上易發(fā)生橫向爬移或者向外扭轉(zhuǎn)。目前獨柱墩橋梁加固設(shè)計中常用的方法是在獨柱墩墩頂(傾覆軸線內(nèi)側(cè))增設(shè)縱橫限位及抗拔裝置，通過增設(shè)的縱橫限位及抗拔裝置與橋墩進行整體連接，減緩梁體外側(cè)爬移或者向外扭轉(zhuǎn)，起到保障梁體安全的作用。若梁體發(fā)生傾覆時，該裝置也能夠起到一定的抗拉拔作用，避免梁體發(fā)生傾覆。
(3)引起橋梁傾覆的根本原因是結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生改變，其最開始表現(xiàn)出來的現(xiàn)象為梁端側(cè)支座出現(xiàn)脫空。因此，獨柱墩橋梁加固設(shè)計的關(guān)鍵在于防止支座脫空情況的發(fā)生。近年來，一種新型的球型抗拉支座已大量運用在工程實踐中，且效果較好。現(xiàn)針對在梁體支座脫空情況，對其進行加固設(shè)計，將原有支座更換為球型抗拉支座，就能有效解決支座脫空問題，從而避免梁體支承體系發(fā)生變化。
5結(jié)束語
本文從獨柱墩橋傾覆的表現(xiàn)及垮塌現(xiàn)場進行分析，有針對性地提出獨柱墩橋梁運營管理及加固設(shè)計的建議。對于已通車運營的獨柱墩橋梁，應(yīng)盡快開展對獨柱墩橋梁的專項驗算評估工作;根據(jù)驗算評估報告結(jié)論，對于存在安全隱患或不滿足抗傾覆驗算的橋梁，須及時進行加固設(shè)計和加固施工;對滿足抗傾覆驗算的橋梁，應(yīng)在后期運營過程中加強監(jiān)督和管理;針對正在設(shè)計的橋梁，慎用獨柱墩，確實條件受限，不得不采用獨柱墩時，應(yīng)加強橋梁的抗傾覆驗算，確保橋梁的抗傾覆滿足規(guī)范要求。
