摘要：在公路设计建设过程中，独柱墩桥梁应用较为广泛。但是，近年来独柱墩桥梁倾覆事故频发，引发社会各界的广泛关注。因此，亟需对现有的独柱墩桥梁进行排查及验算其抗倾覆能力，并采取合适的加固设计方案，确保桥梁安全运营。基于此，本文针对独柱墩桥梁倾覆分析及加固措施进行了探究。
关键词：独柱墩桥梁；倾覆分析；加固措施
独柱墩桥梁具有结构简单、外形美观、占用桥下空间小等多方面的优势和特点，在城市立交桥和高速公路匝道桥中得到了广泛应用。但由于独柱墩墩顶较窄，横桥向往往设置单支点支撑，在汽车偏心荷载作用下，独柱墩连续梁桥的横向抗倾覆稳定非常不利。近几年，这种结构形式的桥梁在超载和偏载情况下已发生多起倾覆事故。本文结合工程实例，对独柱墩桥梁倾覆分析及加固措施进行了简要探讨。
1独柱墩梁桥倾覆机理
根据独柱支承梁式桥的受力特点及其倾覆破坏特征，可将其分为3种类型，即中墩固结独柱支承梁式桥、中墩铰接直线独柱支承梁式桥、中墩铰接曲线独柱支承梁式桥。倾覆破坏研究只针对后两种类型。
1.1倾覆事故桥梁共性
独柱墩桥梁无论在施工阶段还是在运营阶段，结构受力都较为复杂，其结构倾覆需考虑多因素的影响。从近年来所发生的独柱墩桥梁倾覆事故来看，事故桥梁存在以下共性：均出现不同程度的超载、偏载现象;均出现桥梁一侧支座脱空现象；多为直线桥或曲率半径较大的曲线桥；桥梁整体并未发生破坏，只表现为横向倾覆。
1.2支座受力分析
独柱墩桥梁的倾覆问题属于几何非线性和接触非线性的范畴，分析时要考虑多方面多因素的影响。对于中墩铰接直线梁桥，在偏载作用下，桥梁上部结构会发生扭转变形，造成联端支座受力不均匀，随着扭矩效应的增加，不均匀现象加重，当一侧边支座脱空时，上部结构支承体系将发生变化，支座受力发生重分布；对于中墩铰接曲线梁桥，由于自身受力特点，上部结构截面重心并不与桥梁中心线重合，自身恒载作用下有向外侧倾覆转动趋势，在偏载作用下产生竖向弯曲的同时由于曲率的影响出现弯一扭耦合作用，导致外梁超载、内梁卸载，内外支座受力不均匀甚至脱空现象。
上部结构梁体受力为空间受力状态，除汽车偏载产生的扭矩外，还受到温度效应、预应力荷载、支座不均匀沉降等影响，对于独柱墩曲线箱梁桥的影响更为突出。因此，在独柱墩箱梁桥设计时要综合考虑各因素影响，保证在最不利荷载组合下支座不脱空即全部受压有效。
1.3倾覆临界状态
相关文献定义了独柱墩箱梁桥倾覆前的两种关键状态，即一侧支座脱空状态和倾覆极限状态。将边墩支座出现脱空定义为第一倾覆临界状态，中墩支座转角超限定义为第二倾覆临界状态。前者主要根据倾覆转动轴在支座内的位置变化确定，后者虽没有考虑转动轴变化，但由直线桥和曲线桥的受力特点分别对两者倾覆临界状态控制标准作出规定。
在分析独柱墩桥梁抗倾覆问题时，要综合分析倾覆的整个过程。上部结构在汽车超载、偏载作用及自重、二期恒载、预应力荷载、温度效应等因素的影响下，先出现边墩支座脱空现象，随着汽车荷载的增加，桥梁恒载产生的抵抗力矩不足以抵抗汽车荷载产生的倾覆力矩，独柱墩桥梁处于倾覆极限状态。倾覆临界状态的确定对于独柱墩桥梁设计和已建桥梁加固具有重要意义。
1.4倾覆轴线确定
准确地对倾覆轴线定位是抗倾覆验算的前提。直线桥倾覆轴线较直观，可取边墩（或桥台）同侧支座连线（见图1)。而曲线桥倾覆轴线至今没有形成统一的认识，对于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（2012征求意见稿）》（以下简称征求意见稿）新增4.1.9规定倾覆轴线确定方法也存在异议。相关文献分析得出所有支座受压有效的前提下倾覆轴的基本特性为倾覆轴线外侧(倾覆侧)无其他支座，且曲线梁存在多条可能的倾覆轴线（见图2)。
2防倾覆加固实例
本文选取丰顺互通式立体交叉SF匝道桥实例进行验算分析，从结构计算的角度分析独柱墩桥梁是否存在安全隐患以及加固设计方案，验算主要采用三维线弹性分析方法，以及MIDASCivil空间计算程序。
该梁位于半径R=250m的圆曲线范围内，桥跨结构为4×16m预应力混凝土现浇连续箱梁，桥幅宽度为8.5m；桥台为双支座，中间3个墩为独柱墩，其中2#为墩梁固结，桥台双支座的横桥向支承中心间距为4.5m，分析模型如图3。
静力分析模型共划分为66个梁单元，模型共有67个节点。边墩（台）支座处的支承点与梁体节点采用弹性连接（刚性），各支承点处采用一般支承。
根据验算结果，本桥由于中间桥墩为固结墩，抗倾覆能力比全支座的独柱墩桥梁要好，但恒载工况下稳定效应设计值8796kN•m，活载工况下失稳效应设计值3870kN•m，两者比值2.27，小于规范的抗倾覆安全系数2.5，不满足要求，应进行加固设计。考虑到原桥横梁并未布置足够的下缘受拉钢筋，故支座间距不能过大，以下缘不出现拉应力为宜。
针对该桥受力情况，制定其整治方案如下：1#墩增设承台，并对原墩身顶部增设钢盖梁改多支撑处理，增设横向间距2.6m的两侧向支座支撑（如图4），整治后经复算，抗倾覆稳定系数为3.6，无脱空支座，满足要求。
结语
独柱墩连续梁桥具有较多优点，并在城市立交桥和高速公路匝道桥中得到了广泛应用。但由于独柱墩单支座的存在，这种桥型的横向抗倾覆稳定性较为不利。本文结合工程实例，论述了桥梁结构抗倾覆的计算及加固方式，希望对今后的加固设计有借鉴作用。
参考文献
[1]张海伟,严伟飞,史锦飞.独柱墩式连续梁桥抗倾覆分析及加固治理设计[J].浙江交通职业技术学院学报,2015(1):5-7.
[2]姜爱国，杨志.独柱墩曲线梁桥倾覆轴线研究[J].世界桥梁，2013，41（4）：58-61.
论文作者:廖剑锋
论文发表刊物:《基层建设》2017年第24期
论文发表时间:2017/11/9
标签：支座论文; 桥梁论文; 轴线论文; 受力论文; 结构论文; 荷载论文; 曲线论文; 《基层建设》2017年第24期论文;