橋墩蓋梁加固設(shè)計與施工探討

劉志剛 黃 鵬

（中信建筑設(shè)計研究總院有限公司 武漢 430010）

某橋下部結(jié)構(gòu)以花瓶形柱式墩為主，橋梁基本跨徑30.0 m。橋墩材質(zhì)C40，墩柱厚1.6 m，下端為等寬段，截面為長圓端型，寬度3.5 m；橋墩上端呈花瓶式變寬，截面為長橢圓端型，墩頂部位變寬至8.0 m；墩頂蓋梁厚2.0 m、高1.5 m。在橋梁運營過程中檢測發(fā)現(xiàn)，橋墩部分蓋梁不同程度的存在裂紋。經(jīng)分析，主要是由于橋梁長期超載后造成蓋梁端部抗彎承載力不足，混凝土拉應(yīng)力增大，導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。因此，需要對橋墩蓋梁進行加固，以提高蓋梁正截面抗彎能力，減小裂縫寬度，使蓋梁滿足承載能力極限狀態(tài)下的強度要求及正常使用極限狀態(tài)下的抗裂要求。

橋梁加固方法主要有增大截面法、粘貼鋼板加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、改變結(jié)構(gòu)體系法等。針對橋墩蓋梁加固，《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》（JTG／T J22－2008）建議可采用體外預(yù)應(yīng)力、增大截面、粘貼鋼板或纖維復(fù)合材料或鋼板法加固［1］。

1 加固錨固方案選擇

根據(jù)橋墩蓋梁結(jié)構(gòu)特點，加固方案選擇體外預(yù)應(yīng)力法。該方法主要是通過張拉體外預(yù)應(yīng)力，利用預(yù)加力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力抵消部分恒、活荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，從而改善原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，提高構(gòu)件的承載力、抗裂性。該方法把預(yù)應(yīng)力布置在主體結(jié)構(gòu)之外，對原結(jié)構(gòu)損傷較?。患庸碳夹g(shù)所需設(shè)備簡單，施工周期短；對于運營中的橋梁，可以不中斷交通，施工便利。

由于上部反力作用下，蓋梁頂部承受負(fù)彎矩，混凝土受拉，預(yù)應(yīng)力必須布置在蓋梁頂部附近以抵消部分負(fù)彎矩。根據(jù)橋墩特點，預(yù)應(yīng)力束可布置在蓋梁上表面支座兩側(cè)或蓋梁側(cè)面頂部。為此，對應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)錨固可采用抗拔方式（以下簡稱方案一，見圖1）和鋼錨梁方式（以下簡稱方案二，見圖2）。

圖1 方案一示意圖

圖2 方案二示意圖

方案一中，鋼構(gòu)件上端錨固體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線，下端通過錨固植筋方式產(chǎn)生抗拔力來平衡預(yù)應(yīng)力。該方案中，選擇合理的植筋直徑和布置后，假定變形符合平截面假定，通過平衡方程可以確定植筋抗拔力。

方案二中，鋼構(gòu)件設(shè)計成錨梁結(jié)構(gòu)，錨梁兩端錨固預(yù)應(yīng)力鋼絞線，通過錨梁自身的抗彎和抗剪能力來承受巨大的預(yù)應(yīng)力，具體構(gòu)造見圖3。

圖3 方案二錨固示意圖

對比以上2個錨固方案，方案一在實際實施中將存在如下問題：

蓋梁鋼構(gòu)件密貼面處主筋布置密集，普遍會有施工誤差，將導(dǎo)致植筋鉆孔的孔徑和位置存在較大誤差。

由于這種受力模式下植筋數(shù)量眾多，植筋深度過長，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上破壞較大，鉆孔工作量大，清孔也難以徹底［2］。

以上問題的存在，將造成植筋技術(shù)的不當(dāng)應(yīng)用，形成安全隱患，應(yīng)該慎用。

方案二通過鋼錨梁結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，由自身承受預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，只需適當(dāng)固定在蓋梁側(cè)面，對原橋墩不造成破壞。通過對比，方案二錨梁錨固方式更為安全、合理。本工程采用方案二的錨固方式。

2 加固方案設(shè)計

2.1 鋼錨梁構(gòu)造

鋼錨梁結(jié)構(gòu)是本次加固傳力的主要部件，通過它將鋼絞線預(yù)應(yīng)力傳遞到混凝土蓋梁上。錨梁結(jié)構(gòu)見圖4，主要由底板、錨腹板、牛腿板、支撐板、蓋板、錨墊板組成。由底板、錨腹板、蓋板組成的箱型結(jié)構(gòu)承受預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩和剪力。為避免蓋梁側(cè)面與錨梁過大的應(yīng)力集中而導(dǎo)致混凝土破壞，增設(shè)牛腿構(gòu)造以緩解該處應(yīng)力集中。

圖4 鋼錨梁構(gòu)造示意圖

2.2 計算分析

鋼材采用Q345B，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用φs15.2 mm的鋼鉸線，張拉控制應(yīng)力取0.65fpk＝1 209 MPa?；炷劣嬎惆ǔ志脿顩r承載能力極限狀態(tài)計算、持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算，按A類體外預(yù)應(yīng)力混凝土加固、持久狀況應(yīng)力計算。錨固鋼結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)組合計算。通過承載能力極限狀態(tài)確定鋼絞線為2束12－Φs15.2 mm，正常使用極限狀態(tài)和持久狀況應(yīng)力計算采用土木仿真有限元軟件Midas FEA進行，計算截取1／2橋墩模型進行空間有限元模擬，空間模型見圖5。

圖5 橋墩有限元模型

橋墩采用實體單元模擬，其中蓋梁部分采用六面體單元，墩柱采用四面體單元，鋼錨梁均采用板單元模擬，鋼錨梁與蓋梁密貼部位采用共節(jié)點處理，程序自動協(xié)調(diào)自由度。分別對橋墩底部施加固定邊界、1／2橋墩施加對稱邊界。橋墩反力主要考慮上部恒載反力、超載活載、支座沉降反力，預(yù)應(yīng)力按外荷載施加，并計入預(yù)應(yīng)力損失。

2.3 計算結(jié)果

（1）鋼錨梁。錨梁鋼結(jié)構(gòu)需滿足彈性階段構(gòu)件的強度和穩(wěn)定性要求。采用容許應(yīng)力法控制，控制應(yīng)力［σ］＝196 MPa，剪應(yīng)力［τ］＝120 MPa。

鋼錨梁計算結(jié)果見圖6～圖8。

圖6 鋼錨梁MISES應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖7 鋼錨梁剪應(yīng)力應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖8 鋼錨梁支撐板MISES應(yīng)力云圖（單位：MPa）

計算結(jié)果整理見表1。

表1 鋼錨梁各部分應(yīng)力匯總表 MPa

由表1可見，鋼錨梁各部位按第三強度理論和第四強度理論進行強度驗算時，各應(yīng)力均小于控制應(yīng)力，強度滿足要求；穩(wěn)定性滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50017－2003）4.2.4條構(gòu)造要求，穩(wěn)定性滿足要求［3］。

（2）混凝土?；炷劣嬎憬Y(jié)果見圖9～圖12。

圖9 作用短期效應(yīng)橋墩正應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖10 作用短期效應(yīng)橋墩0～1.44 MPa主拉應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖11 持久狀況橋墩正應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖12 持久狀況橋墩主壓應(yīng)力云圖（單位：MPa）

從計算結(jié)果可知：剔除模型局部失真結(jié)果后，正常使用短期效應(yīng)組合下，混凝土法向拉應(yīng)力最大值為2.06 MPa，略微大于σst－σpc≤0.75 ftk＝1.8 MPa，剔除鋼、混凝土連接節(jié)點失真部位后，混凝土主拉應(yīng)力均小于σtp≤0.6 ftk＝1.44 MPa；持久狀況下，混凝土法向壓應(yīng)力最大值12.18 MPa，小于最大法向壓應(yīng)力σkcp≤0.5 fck＝13.4 MPa，主壓應(yīng)力最大值14.21 MPa。小于受壓區(qū)混凝土最大主壓應(yīng)力σcp≤0.6 fck＝16.1 MPa。混凝土持久狀況正常使用極限狀態(tài)和持久狀況應(yīng)力基本滿足設(shè)計要求。

3 施工工藝

（1）施工工藝流程。粘鋼區(qū)域、波紋管外包混凝土接觸部位蓋梁混凝土鑿毛處理→植筋放樣→植筋鉆孔、清孔→植筋→鋼錨梁安裝、注膠粘貼→波紋管安裝及固定→穿索及錨具安裝→鋼絞線張拉→壓漿及錨頭封堵→鋼絞線外包混凝土封閉→鋼錨梁防護。

（2）由于被加固橋墩受力鋼筋位置的施工偏差，鋼板上的植筋孔應(yīng)在現(xiàn)場配鉆，植筋鉆孔前應(yīng)用鋼筋探測儀查明已有鋼筋布置，適當(dāng)微調(diào)以避開這些鋼筋后進行鉆孔。配鉆孔禁止采用氣割。

（3）鋼板粘貼面需用鋼絲刷或磨光砂輪機進行除銹和表面處理，打磨出一定粗糙度，打磨紋路與鋼板受力方向垂直。

（4）根據(jù)錨固受力特點，鋼絞線張拉必須在蓋梁兩側(cè)同步進行，以平衡鋼錨梁受力，避免拔出。

4 結(jié)語

通過對橋墩蓋梁加固方法的闡述、方案的比選以確定最優(yōu)加固方案，分別對加固過程的鋼錨梁和混凝土蓋梁進行各階段受力分析，并對加固施工流程和相關(guān)施工注意事項進行了介紹，為類似工程提供借鑒與參考。

［1］ JTG／T J22－2008公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［2］ 許學(xué)健.混凝土植筋技術(shù)的應(yīng)用［J］.建材技術(shù)與應(yīng)用，2011（2）：27-28.

［3］ GB 50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2003.