互通匝道桥独柱墩抗倾覆加固设计探讨

互通匝道桥独柱墩抗倾覆加固设计探讨
摘要：互通立交匝道上的曲线桥为了减少占地、增加视野，下部结构多采用独柱墩的结构形式。

本文分析了连续箱梁独柱墩桥梁，在横向偏载作用下，发生倾覆失稳的力学原因。

通过实例分析，对该类型桥梁提出了加固设计方案，并在实际中进行运用。

关键词：曲线桥连续箱梁独柱墩横向倾覆加固设计
中图分类号： s611文献标识码：a 文章编号：
随着高速公路的兴建、城市建设的进一步发展，道路网中大型立交桥日益增多，为了增添城市景观、使桥梁服从路线的平面布置和提高交通枢纽的使用功能，匝道上通常采用小半径曲线连续箱梁桥。

在互通区，为了减少占地、节约造价、满足通车视距要求及桥梁美观等因素考虑，匝道桥往往采用独柱墩连续现浇箱梁的结构形式。

随着我国经济建设的快速发展，交通流量、车辆载重日益增大，重载车辆普遍存在超载现象。

超重车辆行驶在小半径曲线独柱墩匝道桥时，容易出现偏载。

这种情况导致国内多起独柱墩箱梁桥倾覆倒塌事故。

因此对现有独柱墩连续箱梁桥进行加固处理，是运营安全的需要。

一、独柱墩连续箱梁桥倾覆原因分析
1.对于直桥，桥台通常设置双支座，桥墩支点通常设置在桥梁中心线处，横向扭转约束仅仅靠端部的双支座来完成的，当汽车靠桥
梁外侧单车道行驶时，箱梁上部形成偏心受力状态，汽车载重过大时，桥台处支座出现脱空情况，当桥面活载严重超载时，箱梁会绕汽车行驶一侧的大、小桩号两桥台的支座连线倾覆。

对于弯桥，当跨中桥墩全部支座位于桥台外侧支座连线内侧时，倾覆轴线为桥台外侧支座连线，如图1所示。

图1：弯桥倾覆示意图1
当跨中桥墩全部支座位于桥台外侧支座连线外侧时，倾覆轴线取为一桥台外侧支座和跨中桥墩支座连线，如图2所示。

图2：弯桥倾覆示意图2
箱梁桥抗倾覆安全系数为 :
式中qk ——车道荷载中均布荷载；
pk ——车道荷载中集中荷载；
e ——横向最不利车道位置到倾覆轴线的垂直距离；
u ——冲击系数；
rgi ——成桥状态时各个支座的支反力；
xi ——各个支座到倾覆轴线的垂直距离。

ω——倾覆轴线与横向加载车道围成的面积
e——横向加载车道到倾覆轴线垂直距离的最大值。

独柱墩梁体在偏心荷载及恒载偏心作用下，多个支点位置可能存在脱空现象，桥梁结构有整体失稳、倾覆的可能，若桥面行驶的汽车载重过大，桥梁会因整体失衡而发生倾覆事故。

2.独柱墩本身就是偏心受压构件，由不同支承情况下压杆临界力
欧拉公式可得出，墩柱过高或者桥墩身过细，在偏心作用下，立柱存在偏心受压破坏的可能性。

欧拉公式：
式中：μ反映了杆端支承对临界力的影响，称为长度系数，μl 称为相当长度。

一端自由，一端固定μ＝2.0；两端固定μ＝0.5
一端铰支，一端固定μ＝0.7；两端铰支μ＝1.0
3.曲线箱梁桥是空间结构,由于主梁的平面弯曲使得支座的支承点不在同一直线上,在荷载及预应力作用下将同时产生“弯- 扭”耦合内力和“弯-扭”耦合变形,从而造成曲线梁的受力状态与直桥有很大的差别,构成曲线梁桥基本的受力特征。

影响线分析表明,在相同跨径的情况下,曲线梁桥的截面内力(弯、剪、扭)比同跨径的直线梁桥要大。

在偏心荷载作用下，连续独柱墩的箱梁跨径较长，一旦桥梁抗扭能力不足，桥梁出现剪扭破坏。

二、结构验算
本文以河北省京新高速某互通匝道独柱墩连续箱梁为例进行验算，分析结构倾覆安全性能，并提出加固设计方案。

1．项目概况
本桥跨径为(3x25+40+55+40+2x25)m，主桥上部结构采用
40+55+40m预应力钢混组合梁，引桥上部结构采用现浇预应力混凝土连续箱梁；下部结构桥台采用肋板式台，钻孔灌注桩基础，桥墩采用柱式墩，钻孔灌注桩基础。

本桥平面位于a=113m的缓和曲线
及r=170m的平曲线内。

主桥3、6号墩为伸缩墩，钢箱梁左侧采用gpz（ii）5dx型盆式支座，右侧采用gpz（ii）5sx型盆式支座，下部结构采用间距为4米的双柱墩，柱径1.5米。

4、5号桥墩采用柱径为1.6m的独柱墩，墩顶与箱梁底焊接形成墩梁固结形式，墩身高10.0m。

主梁截面由预制开口钢箱梁和现浇预应力混凝土桥面板通过抗剪连接器组成，钢箱梁底宽为5.5米，结构中心线处梁高1.55米，桥面板厚0.4米，主梁结构中心线处全高1.95米；桥面板宽为10.5米。

桥梁横坡通过腹板不等高形成，桥面铺装等厚。

2．技术标准及依据
验算采用midas civil2011；汽车荷载：公路-i级，结构重要性系数1.1；支座沉降：不均匀沉降量8mm；系统升温24℃，系统降温20℃；截面梯度温度：正温度梯度 t1=14℃，t2=5.5℃；负温度梯度 t1=-7℃，t2=-2.75℃。

3．支座受力验算
1）布载方式
本文结构验算时，按三种方式进行加载，分别为汽车单车道曲线桥外侧行驶，双车道靠曲线桥外侧行驶及单车道曲线桥内侧行驶。

验算结果表明汽车荷载按单车道曲线外侧布载时，计算结果最不利，本文仅列出曲线外侧布载时计算结果。

布载示意图如图3所示。

第一种第二种第三种
曲线外侧布置两侧布置曲线内侧布置
图3：汽车荷载布置示意图
2）验算结果
a．独柱墩加固前原桥验算
图4：加固前计算模型
原桥验算结果：
从计算结果表明，汽车在曲线外侧单车道行驶时，桥台内侧支座脱空，桥梁有倾覆的危险，因此提出在独柱墩横桥向两侧各加设钢管柱的加固方案。

b．独柱墩加固后验算
加固后计算模型
加固后桥验算结果
独柱墩经过加固处理后，验算结果表明各支点处均受压，没有支座处于脱空状态。

4.独柱墩偏心受压承载力验算
本桥独柱墩墩身高10.0m，墩梁固结，柱径1.6m。

立柱外侧采用厚20mm的钢板进行包裹，内部筑注c40无收缩混凝土，立柱主筋采用32根直径为28mm的hrb335级钢筋，箍筋直径10mm。

经验算立柱保持稳定的临界力为35182kn，大于单车道曲线外侧布载时支反力16875.7kn，满足要求。

通过验算可知，本桥的主要破坏形式是在超载作用下，桥梁出现
支座脱空导致桥梁横向失稳倾覆。

三、加固方案设计
独柱墩偏心受压承载能力在原桥验算过程中安全系数偏低，抗倾覆验算结果不能满足安全要求，该桥独柱墩存在安全隐患。

为保证结构的安全使用，对该桥独柱墩横向两侧增设钢管混凝土立柱进行加固。

新增立柱间距4.8m，距离原立柱2.4m。

钢管混凝土立柱柱脚采用植筋方式与桥梁承台连接。

顶部设盆式支座，作用在箱梁中横梁处。

钢管立柱采用直径为610mm，壁厚10mm 的螺旋钢管。

桥梁墩身高10m，为增强下部结构整体性能，在立柱中部采用40a槽钢，将增设的钢管立柱与原桥立柱进行横向联结。

钢管立柱内部灌注c40微膨胀混凝土。

这一加固方式主要有以下几方面的优点：
a、由于竖向支撑的约束，降低了全桥的扭矩设计值，使得上部结构本身受扭矩破坏的风险得到了进一步的降低；
b、降低了立柱的横向弯矩值，使得独柱墩偏心受压破坏的可能性大大降低，提高了独柱墩抵御超载作用的能力；
c、由于上部结构的扭矩设计值的减小，原双支座位置出现负反力(即支座脱空的可能性进一步降低)，减小主梁因汽车行驶在一侧而引起倾覆的可能。

四、施工技术要点
1．施工前应仔细测量需加固墩柱箱梁底面到承台之间的距离，精确到1mm，并以此作为钢管混凝土墩外套钢管的下料依据。

2.为了保证正常施工和结构安全，考虑到先行浇灌混凝土会使结构调整发生困难甚至无法调整，钢管管内混凝土浇灌宜在钢构件安装完毕并验收合格后进行。

3.钢管中混凝土的浇筑采用泵送顶升浇灌法：泵送顶升浇灌法采用混凝土输送泵将混凝土从低处往高处顶升一次泵送完成。

以确保混凝土浇灌密实。

参考文献
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