关于独柱墩桥梁加固方案探讨

作者：设计部 蔡伦

近年来，我国发生过多起桥梁坍塌侧翻事故，像2012年8月24日哈尔滨阳明滩一高架桥坍塌，2019年10月10日无锡一高架桥侧翻，2021年12月18日G50鄂州段境内高架侧翻，这几起是典型的例子。发生事故的桥多有此类共同点：（1）整体式箱型梁桥；（2）有较大半径曲线或者直线桥；（3）倒塌的桥以长桥居多；（4）倒塌形式为整联倾斜倒。这些事故中结构破坏无明显预兆、突然发生、危害极大；发生倾覆事故后的主梁、桥墩的整体性能基本保持良好。

1.  桥梁侧翻失稳原因

发生倾覆事故的桥梁，大概率上采用的是整体式截面——箱型截面。发生倾覆事故的原因为多为偏心荷载作用下，或结构的支承体系失效，或两者共同作用下，梁体结构失稳，像荷载较大的一侧侧翻。尤其是独柱墩桥梁，虽然结构受力性满足设计规范要求，但是由于其桥墩处横向支承体系为单支点，结构横向抗倾覆的能力是存在一些问题的，尤其是在近些年超载现象越发严重情况下。例如G50鄂州段高架侧翻事故车辆重达200吨（荷载已经超过使上部结构失稳的效应极值了），但考虑此类问题的重点应更多的放在桥梁侧翻的问题上。那么桥梁为什么会侧翻，这就是结构提供的横向支撑不够了，那么加固的方向就很明确，就是给现在这种独柱墩的梁进行加固，增加足够横向支撑，让它在受到到较大的偏心荷载时也能保持稳定。

      2. 桥梁加固方案探讨

对于独柱墩桥的加固方式，可以将原来的单支座改成墩梁固结的形式，使结构的受力体系发生变化，这种方式仅适用于高墩。另一种，在横桥向设置多个墩子，增加支座改变受力体系，来增加横向稳定性。这也是较为常见的做法。

在独柱墩的支座在两侧增加两个支点，比如独柱墩两侧各做一个柱子或者墩顶做一个钢盖梁，这样就可以增加支座间距了。可难点来了，原来独柱墩的支座是处于工作状态的，新增的支座怎么样才能使它处于工作状态呢？

这里提出一种观点，主动式独柱墩加固方案与被动式独柱墩加固方案。那么何为主动式何为被动式呢？

       2.1主动式桥梁加固方案

主动与被动指的是新增支座的工作状态，主动式是指新增加的支座让它始终处于工作状态。要达到这种状态，需要把主梁的荷载主动传导到新设的支座上，那么需要考虑对独柱墩处梁体的受力体系进行改进，让其变成双支座或者3支座的模式。要使增设支座一直处在完全支撑的状态，需要对主梁采取顶升的操作，当新支座布置好之后再将主梁放下与新支座连接好，并做好限位装置。这种操作方式就是很明确直接增加了支撑，增大了支座间距，是一种很理想的状态。但是实际操作起来难度较大，成本也较高。

       2.2 被动式桥梁加固方案

被动式的独柱墩桥梁加固方式也是也是在独柱墩横桥向两侧设置支撑，但与主动式桥梁加固方案不同的是，被动式的方案新增的支座之后的受力体系不一样，增设的支座并非一直处于完全工作状态，而是一种以原有支撑体系为主，新增的支座主要用于处理紧急情况，比如在原独柱墩单支撑的支承体系受到一个较大的偏心荷载的情况下提供一种紧急的支撑状态。从支座使用状态描述为仅仅和主梁底部紧密贴合，或者只提供很小一部分的承载力，主要的支撑作用仍然由原支座提供。新增支座仅在该桥处于一个极限状态时与原支座共同提供支撑力。相当于给原支座系统提供一个备用的支撑系统。

3.  被动式桥梁加固方案的优势

主动式独柱墩加固方案是一种较为理想的加固方案，但是使它操作起来让结构支撑达到一个100%的状态较为困难。

被动式独柱墩加固方式，考虑到实际桥梁使用中，在桥梁处于超过承载能力极限状态或者说是在桥梁处于一种即将失稳的情况下，在主梁失稳的那一侧提供一个支反力，使桥梁任然保持一种平衡状态。在这种即将失稳的工况下，只需要提供一个额外的较小的支撑力，就可使结构从原来的失稳变成一种平衡状态。

在桥梁失稳的瞬间，我将其描述为一种“跷跷板状态”，即当跷跷板从水平状态即将向某一边倾斜时，只需要一个较小的力即可以使其停止倾斜并回复到前面的水平平衡状态。而且桥梁超载并不是一种常规状态，因为大多数时候桥梁都是处于设计荷载之内的情况，那么，这种状态仍然以原有的受力体系为主是不会出现安全隐患，而一旦出现超载加偏心现象的时候，新增的支座立即就能提供一个足够的横向支承力，使桥梁仍然处于稳定状态，而且，考虑车辆的通过该桥的时间，新增的支座只是短时间的满状态工作一下，主要反力仍由原独柱墩的支座提供。

实际上在桥梁加固施工中的具体操作更偏向于被动式的结构。这种加固方需要在独柱墩处设置一个钢盖梁，或者在原承台上增设两个墩子，再增加支座将其与主梁连接。这种操作理论上更简单，施工上也要更方便。当然，这种加固方式并不适用于所有独柱墩的情况，但是对于一般的独柱墩进行加固是更加简洁明了的方式。