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独柱墩桥梁如何加固?秘诀原来是这样!

在公路桥梁建设过程中,由于受地形、地物、占地面积和景观等影响,其下部墩往往采用独柱支承方式,以减少土地占用、改善下部结构布局、减少桥梁基础与地下建筑位置冲突、增加视野及桥型美观度。在条件受限时,这类桥梁往往成为唯一的选择。


随着独柱墩桥梁的大量应用,一些突出问题逐步显现:独柱墩桥梁发生整体侧向倾覆;对于双悬臂T型桥墩,配筋不足导致悬臂根部盖梁破坏;在横向地震等作用下桥墩被弯剪破坏,整个桥梁倒塌等。在这些形式的破坏中,结构往往无明显征兆,危害极大,造成巨大的经济损失和不良的社会影响。


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独柱墩桥梁倾覆原因分析

虽然独柱墩桥梁的上下部结构受力性能可以满足桥梁设计规范要求,但是由于其桥墩横向支承体系为单支点支承,在偏载作用下,结构的横向抗倾覆非常不稳定,导致桥梁整体抗倾覆稳定性的安全储备不足,在超载车辆偏载通过时,存在桥梁整体侧翻和墩柱被破坏的安全隐患。


独柱墩支承桥梁主要存在以下三方面的安全隐患:


(1)独柱墩桥梁在超载车辆偏心作用及恒载偏心作用下,桥台(或连接墩)双支点位置可能存在支座脱空现象、桥墩单支点位置不能为上部梁体提供横向约束,导致上部梁体变形过大,从而形成机动体系,造成桥梁上部结构突然整体侧翻、倾覆。该类型的破坏形式属于无预兆的脆性破坏,事先无明显预兆,会发生桥塌、车毁人亡的严重事故。


(2)某些桥梁连接墩采用独柱墩+盖梁的构造形式,在超载车辆作用于连接墩位置时,盖梁的弯矩和剪力以及独柱墩的弯矩达到最不利荷载工况,当内力设计值远大于其截面承载力时,连接墩的盖梁或独柱墩会出现承载能力极限状态破坏,从而使上部梁体丧失边界支承条件,形成机动体系而发生梁体整体侧翻倾覆的事故。


(3)独柱墩本身属于偏心受压构件,如果桥墩高度过大或者桥墩墩身回旋半径过小,在超载车辆偏心作用下,经过结构计算分析可知,支座会出现较大的横桥向水平力,可能出现墩柱根部截面弯矩值大于其承载力的不利工况,从而造成桥梁墩柱根部截面的弯剪破坏。


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独柱墩抗倾覆加固技术比选

抗倾覆性能加固主要是对独柱墩桥梁下部结构进行改造加固,增加横桥向支撑点的数量,以达到提高独柱墩桥梁整体抗倾覆稳定性的目的。


(1)独柱墩改为圆端形墙式墩

对独柱墩增大墩身截面面积,横向加宽成圆端形墙式墩,墩顶安两个板式橡胶支座。新增混凝土与原墩身混凝土接触面需做凿毛处理,在原基桩横桥向两侧增加基桩,新增桩顶增加承台,并通过植筋、混凝土浇筑与原承台连成整体。圆端形墙式墩根据墩高不同采取两种截面形式:实体墙式墩和空心墙式墩。


实体墙式墩主要适用于上部箱梁底板宽度小于6m,墩高小于7m。其是在原有独柱墩的基础上横向加宽成圆端形的墙式墩,外观上不会造成明显的加固迹象,对地基的承载能力、沉降量、地基与基础之间的摩阻力等均有一定要求,以避免在这些外力作用下墩身有过大的水平位移、转动或沉降。


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空心墙式墩主要适用上部箱梁底板宽度小于6m,墩高大于7m,它能减轻自重,减小软弱地基的负荷。这种桥墩在外形上与实体式墩并无大的差别,只是自重较同尺寸的实体墙式墩轻。空心墩可以采用钢活动模板施工,节省模板支架,特别对于高墩,更显出其优越性。


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(2)独柱墩改为三柱式墩

当独柱墩偶然遭遇超载车辆作用时,两侧新增加的支承点能够临时提供约束上部梁体扭转的反力,保持上部梁体的平衡,防止梁体发生整体侧翻或倾覆。新增墩柱可根据墩身高度不同来选用钢管柱或钢筋混凝土柱。此种加固方案优先适用墩身低于7m和采用双基桩+承台+独柱墩的独柱墩桥梁。桥下净空不高时,新增加钻孔灌注桩施工非常困难,因此需要寻求新增结构自重小的加固方法。此方案新增结构自重较小,但加固处理的痕迹明显,可在墩柱施工完毕后,在三柱墩身增加装饰板,外观做成圆端形墙式墩。


此技术一般做法是利用原独柱墩承台,在独柱墩两侧(横桥向)各增加一根圆柱墩,新增墩柱顶端安装板式橡胶支座。原独柱墩若是单柱单桩无承台的结构,则需按下部结构承载能力验算考虑增加基桩和承台,新增承台通过植筋、混凝土浇筑与原结构连成整体。

1)钢管柱加固适用范围:墩身高度在6m以下。

优点:墩柱截面小,钢管自重轻,充分利用原结构承台,不增加新的基桩,施工速度快,适用于高速公路匝道桥和天桥的独柱墩加固。

缺点:与原有钢筋混凝土柱不协调、加固处理的痕迹明显。


2)混凝土圆柱墩加固适用范围:墩身高度在7m以下。

优点:墩柱截面较小,充分利用原结构承台,适用于高速公路中央分隔带的独柱墩和箱梁底板较宽的情况,新增结构稳定性较钢管柱高,能适用墩柱高度5-7m的情况。

缺点:加固处理痕迹明显。


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(3)独柱墩顶加扩大端

当桥面较宽、墩身较高时,为节省墩身及基础的混凝土体积,减小结构自重,可利用挑出的悬臂或托盘来缩短墩身横向的长度。悬臂式或托盘式的扩大端部最小高度30-40cm。独柱墩顶加盖梁或花瓶墩都是属于此种方案。独柱墩顶增加扩大端的加固方案可选用钢筋混凝土扩大端或钢结构盖梁。


钢筋混凝土扩大端:利用原独柱墩身,在独柱墩顶端(横桥向)增加扩大端,新增扩大端顶面安装2个板式橡胶支座。当桥面较宽、墩身较高时也可根据墩身承载能力计算结果适当增加原墩身截面面积。


钢箱扩大端:钢箱内侧为双半圆钢板箍,钢箍内径根据独柱墩直径选取,板厚20mm,横桥向两侧各设4道加劲肋,与钢板箍焊接,顺桥向两支座底板各设置一道贯通隔板形成格构式钢箱。


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各种加固技术比选如表1所示:

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结语

从现行规范上看,公路桥梁规范对横向倾覆稳定性的相关规定尚不完善,道路在实际的运营中仍存在一系列偶然的不利因素,已发现部分桥梁发生倾覆事故或出现后期箱梁开裂,造成重大桥梁安全事故,产生严重的经济损失和极其恶劣的社会影响。这已引起管理部门和技术人员的高度重视,积极组织对独柱墩桥梁的各项性能进行检测、验算,根据每座桥的实际情况,分析最不利的影响,采取最安全施工的技术对其进行加固,防止桥梁事故的发生,保证道路的通行安全。


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