自平衡反压式单支座更换技术在独柱墩桥梁提质升级中的应用
完成单位
苏州绕城高速公路有限公司
南京博瑞吉工程技术有限公司
工程概况
1. 工程背景
近年来，国内出现了多起独柱墩梁桥的整体侧翻倾覆事故，造成了重大经济损失和不良社会影响。目前大多数在役独柱墩桥梁建成年代较早，同时期的设计规范缺少对桥梁抗倾覆性能的要求，桥梁设计过程仅关注梁体的承载能力与使用性能，忽视了桥梁的整体稳定问题，由此导致独柱墩桥梁出现了整体倾覆先于结构承载力破坏，存在安全隐患，且难以预测与防范。
2. 工程实施情况
为提升桥梁的安全运营保障能力，苏州绕城高速开展了针对独柱墩桥梁抗倾覆稳定性能的排查和改造工作，苏州绕城高速沿线共392座，其中109座独柱墩桥梁，合计784个独柱墩。该类桥型主要以支架现浇的窄箱梁为主，单孔跨径20～50m，平曲线半径60～500m，桥面横向车道数1～3个。独柱墩桥梁数量多，桥面交通量大，桥位环境复杂。
本次独柱墩桥梁抗倾覆稳定性能提质升级改造方案以新增支座为主：将单点支承改为双支点或三支点支承。
新增支座如何参与受力是一个比较关键的问题。为此，采用“自平衡反压式单支座更换技术”对新增支座精准施加初始支反力，在各构件承载能力满足要求的情况下，将部分恒载由旧支座转移至新支座，可有效防止新增支座脱空，降低新增支座被拍打的概率。
主要创新点
1. 技术思路
对于独柱墩梁桥，一般在联端设置双支座，中墩设置单支座或间距较小的双支座。与双柱墩相比，两者主梁弯矩与剪力差别不是很大，但独柱墩桥梁中跨由活载产生的扭矩会累计传递至联端处的抗扭支座上，扭矩达到一定量值就会使联端支座产生负反力，若不采取措施，轻则支座脱空，重则梁体整体倾覆。
根据理论分析结果，并结合类似桥梁的改造经验，本次通过新增支座、拉开支座横向间距等措施来提升桥梁抗倾覆稳定性能。因此，本次提质升级改造方案以新增支座为主：将单点支承改为双支点或三支点支承。方案概括如下：
(1)不对梁体顶升，旧支座无病害的情况下不作改变，根据抗倾覆需要在既有墩柱的一侧或两侧新增支座，新增支座主要发挥抗倾覆功能。恒载以旧支座承担为主，活载由新旧支座共同分担；
(2)为减小养护成本，新增结构尽可能采用混凝土结构。条件受限时，可采用少量钢构件；
(3)既有桥墩为有承台的独柱墩，尽可能在既有承台基础上新增立柱或者扩大原有墩柱断面，然后新增支座；
(4)既有桥墩无承台或者承台无法利用时，在独柱墩侧面新增桩柱式基础，然后新增支座；
(5)部分独柱墩桥梁改造后抗倾覆稳定性满足规范要求，但个别支座仍会脱空时，在脱空支座处增设抗拉拔辅助装置。
2. 关键技术方案
新增支座如何参与受力是一个比较关键的问题。
调研发现，类似的独柱墩改造工程中，新增支座存在两种受力模式：
(一)通过千斤顶顶升梁体再落梁的方式让新增支座承担部分恒载；
(二)新增支座与梁密贴，不承担恒载，仅分担活载。
对于第（一）种，通过顶升施工将恒载反力转移至新旧支座共同承担。同步顶升更换或增设支座方法均是通过千斤顶泄压、梁体回落后，新支座“自上而下”因被动压缩而获得支反力。梁体顶升过程中的顶升支反力可通过千斤顶油压获知，但是落梁后的支反力却是未知，甚至是不可控的。
此方案对原结构扰动较大，全桥支反力重新分配，内横梁及下部结构承载能力要重新复核验算。不仅顶升施工费用高，而且梁体经顶升、再落梁后，双支点或者三支点支座反力偏差较大，不均匀的反力在梁体断面产生一个强迫扭矩，在车辆荷载不利工况下梁体会出现扭转裂缝。此类问题在独柱墩改造中已有先例，本次未采用此类方案。
对于第（二）种，新增支座与梁底密贴，新支座仅参与分担活载，不承担恒载。新增支座初始反力为零，活载作用下支座会经历承压、脱空的反复过程。随着时间积累，会出现支座平面爬移，垫石、梁底楔形块等局部构件在车辆反复冲击下出现损伤破坏。截止目前，某些地区改造后的独柱墩桥梁已出现了整联支座反复脱空拍打现象。本次未采用此类方案。
为避免新增支座在通常情况下被反复、高频拍打，同时降低施工难度和施工成本。本次在独柱墩改造过程中，采用东南大学刘其伟教授团队研发的“自平衡反压式单支座更换技术”，主动对新增支座精准施加初始支反力。在各构件承载能力满足要求的情况下，将部分恒载由旧支座转移至新支座，可有效防止新增支座脱空，降低支座被拍打的概率。初始支反力值根据计算确定，该方法施加的初始反力准确可控，而且施工操作简单。
采用自平衡反压式单支座更换技术（一种自平衡反压式桥梁单支座更换方法，ZL 2014 1 0431651.6；主动承压式更换和安装支座方法及装置，ZL 2022 1 0018665.X；精准加压式更换及安装桥梁支座装置，ZL 2022 2 0043915.0）给新增支座施加反力时,按照标定的反力曲线、借助反压装置从支座底面向上、主动施加反向压力，支座“自下而上”压缩获得反力。更关键的是跳过了传统支座更换过程中“支反力由千斤顶向支座转移”这一体系转换环节，反压装置主动施加的反压力即为支座实际承载的反力，反力准确、可知、可控。通过对“反压力、梁底标高”的双控，确保梁体“只顶不升”，新支座经反压后，其反力达到设计目标值，最后将“反压装置”浇筑在支座垫石内，和垫石共同作为永久性支撑，从而完成单个桥梁支座的安装。
3. 实施效果
至2021年3月，绕城公司完成了全部57座桥梁提质升级改造施工任务，主要工程量为：增加桩基82根、墩柱389根，支座437个、防脱空装置106个。
采用“自平衡反压式单支座更换技术”对独柱墩新增支座进行反压，相对传统的同步顶升更换或者增设技术，施工成本降低60%～70%，施工周期缩短40%～50%。经改造后的独柱墩桥梁抗倾覆满足现行规范要求，从2022～2023年的桥梁定期检查来看，新增支座工作状态良好，未出现脱空、拍打现象，有效提升了桥梁运营安全。
生产、应用及推广情况
苏州绕城高速独柱墩桥梁改造方案对交通影响较小，不改变或少改变原结构受力体系；采用自平衡反压式单支座更换专利技术在新增支座下方设置反压装置施加初始反力，不仅减少了施工措施费，重要的是降低了新增支座在后续使用过程中的拍打概率。新增支座预设反力精度高、受力影响小、成本低、工期短、不中断交通等诸多优势。对于独柱墩桥梁新增支座需预设反力时，或者在单个支座需要更换时，有较高的技术和成本优势。在桥梁支座更换或者新增支座时具有推广价值。
2018年，该技术被认定为江苏交通控股系统高速公路养护科技成果推广应用项目。
2019年，该技术被认定为江苏交通控股系统优秀养护科技成果。
2019年，在役桥梁工程性能提升关键技术创新与应用，获取2019年度江苏省科学技术奖一等奖。
截止目前，自平衡反压式单支座更换技术已在苏州绕城高速、江阴大桥、润扬大桥、南京四桥、锡张高速、沪宁高速、宁宿徐高速、连徐高速、通洋高速、连霍高速、宁靖盐高速、宁常镇溧高速、济徐高速、江海高速、盐洛高速、启扬高速等多条高速公路或地方公路成功应用，维修处治效果良好，得到了业主单位的一致好评。
