雙柱式花瓶墩橫梁剪切破壞加固研究

吳 超

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

雙柱式花瓶墩線(xiàn)形流暢美觀，在城區(qū)橋梁建設(shè)中經(jīng)常應(yīng)用。雙柱式花瓶墩橫梁破壞多以受拉力破壞開(kāi)裂為主，支座位于橋墩橫梁上由于偏載而產(chǎn)生剪切破壞較為少見(jiàn)，本文以某橋梁雙柱式花瓶墩橫梁呈現(xiàn)八字形裂縫為項(xiàng)目背景，通過(guò)個(gè)案分析提出加固思路。

1 工程概況

某城市快速路一座橋梁總長(zhǎng)860m，主橋獨(dú)塔單索面懸索橋，主跨橋梁為40m+50m+2×100m+50m+40m，左幅及右幅的引橋都是預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，總長(zhǎng)240m(4×30m+4×30m)，雙向6車(chē)道，設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)[1]。主橋與引橋交界處下部結(jié)構(gòu)為雙柱式花瓶墩，主橋支座設(shè)置于橋墩橫梁上，引橋支座設(shè)置在花瓶墩的兩個(gè)墩柱上，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)橋墩橫梁高度取1.2m。墩柱為C40混凝土，橋墩橫梁頂設(shè)置52根32mm、26根25mm二級(jí)鋼筋；橫梁底設(shè)置52根28mm二級(jí)鋼筋；箍筋為8肢16mm二級(jí)鋼筋。

該橋于2009年建成通車(chē)，在2013年養(yǎng)護(hù)單位對(duì)該橋梁例行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)主橋、引橋交界處4個(gè)花瓶墩橫梁在主橋支座側(cè)均出現(xiàn)八字形裂縫，裂縫由橋墩橫梁底向橫梁頂發(fā)展，引橋側(cè)及橫梁底部暫未觀察到裂縫，雙柱式花瓶墩橫梁裂縫形狀及分布位置如圖2～圖3所示。

圖3 裂縫立面圖(單位:cm)

圖2 現(xiàn)場(chǎng)裂縫照片

2 裂縫原因分析

裂縫原因分析是加固設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)，從圖1可知橋墩橫梁上面支座位于主橋側(cè)1/2寬斷面上，因此應(yīng)考慮橋墩橫梁的偏載影響。利用有限元軟件提取1/2寬斷面和全寬斷面的內(nèi)力值進(jìn)行對(duì)比；抗剪承載力根據(jù)國(guó)內(nèi)兩本常用的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)[2](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《公路橋規(guī)》)和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2010)[3](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《混凝土規(guī)范》)進(jìn)行計(jì)算；通過(guò)有限元軟件查看裂縫發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 雙柱式花瓶墩構(gòu)造圖(單位:cm)

2.1 荷載計(jì)算

(1) 縱橋向支反力計(jì)算

花瓶墩橫梁裂縫分析得知，該橋橫梁受水平荷載影響較小，因而僅考慮將豎向荷載參與計(jì)算?；ㄆ慷账芎奢d除了本身自重外還承受從支座傳遞下來(lái)的荷載，因此建立主橋及引橋縱橋向梁?jiǎn)卧邢拊Ｐ陀?jì)算支座荷載，如圖4所示。

圖4 主橋縱橋向有限元模型

縱橋向恒載采用主梁自重、二期荷載，移動(dòng)荷載采用城-A級(jí)車(chē)道荷載[1]。按照《橋涵通用規(guī)范》[4]第4.1.6條采用承載力極限狀況組合，分析得橋墩橫梁處主梁支反力13 498kN，引橋支反力3887kN； 橋墩橫梁、墩柱、承臺(tái)等其他自重荷載系數(shù)取1.0，各荷載值匯總?cè)绫?所示。

表1 荷載匯總表 kN

(2)剪力值計(jì)算

使用Midas Fea軟件構(gòu)建雙柱式花瓶墩空間實(shí)體單元模型(圖5)，采用線(xiàn)性靜力分析，墩底為固結(jié)約束。由表1取得支座反力F1、F2值，支座反力通過(guò)支座墊石以均布力形式加載在花瓶墩上。經(jīng)計(jì)算，主橋、引橋墊石上均布力分別為6886KPa、1983 KPa。

圖5 雙柱式花瓶墩實(shí)體有限元模型

軟件分析運(yùn)行后，提取靠近主橋側(cè)1/2寬斷面和全寬斷面剪力值，分別為5100kN、6350kN。由提取的剪力值可知，橋墩橫梁受偏載影響較大，大約80%剪力值由靠近主橋側(cè)的1/2寬斷面承載。

2.2 橋墩橫梁抗剪承載力計(jì)算

根據(jù)《公路橋規(guī)》[2]和《混凝土規(guī)范》[3]描述，深受彎構(gòu)件是指計(jì)算跨徑l與高度h之比l/h≤5的受彎構(gòu)件?；ㄆ慷諜M梁為剛構(gòu)固結(jié)體系，計(jì)算跨徑取支承中心距離4.8m，橫梁高1.2m，跨高比為4.0，采用深受彎構(gòu)件對(duì)橫梁進(jìn)行計(jì)算。

抗剪能力是決定深受彎構(gòu)件承載力的關(guān)鍵要素，初步分析橋墩橫梁出現(xiàn)斜裂縫破壞，其因是橫梁主橋側(cè)受偏載，從而產(chǎn)生剪切破壞?；?，分別采用《公路橋規(guī)》[2]及《混凝土規(guī)范》[2]中的深受彎抗剪承載力公式驗(yàn)算橋墩橫梁，計(jì)算斷面考慮偏載影響，采用靠近主橋側(cè)的1/2寬斷面進(jìn)行計(jì)算，剪力值為5100kN。

(1)《公路橋規(guī)》[2]深受彎構(gòu)件計(jì)算

基于雙柱式花瓶墩橫梁與墩柱為剛構(gòu)結(jié)構(gòu)，參照墩臺(tái)蓋梁構(gòu)件對(duì)橋墩橫梁驗(yàn)算。根據(jù)《公路橋規(guī)》[2]第8.2.6條，鋼筋混凝土深受彎構(gòu)件的斜截面抗剪承載力計(jì)算公式：

式中右側(cè)為抗剪值Vk，各參數(shù)含義詳見(jiàn)規(guī)范[2]，各參數(shù)取值如表2所示。

表2 《公路橋規(guī)》[1]深受彎抗剪公式參數(shù)取值

驗(yàn)算得抗剪承載力為3647kN，小于橋墩橫梁的剪力值5100kN。

(2)《混凝土規(guī)范》[3]深受彎構(gòu)件計(jì)算

根據(jù)《混凝土規(guī)范》[3]第G.0.4-2條驗(yàn)算橋墩橫梁抗剪承載力，深受彎構(gòu)件抗剪承載力計(jì)算公式：

表3 《混凝土規(guī)范》[3]深受彎抗剪公式參數(shù)取值

驗(yàn)算得抗剪承載力為3507kN，小于橋墩橫梁的剪力值5100kN。

通過(guò)以上兩種規(guī)范對(duì)抗剪承載力的計(jì)算分析可知，受橋墩橫梁上支反力的偏載影響，在靠近主橋側(cè)的1/2寬斷面的抗剪承載力小于剪力值，抗剪承載力滿(mǎn)足不了要求。該計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一致，靠近主橋側(cè)橋墩橫梁出現(xiàn)八字形裂縫而引橋側(cè)無(wú)裂縫。

2.3 裂縫趨勢(shì)分析

通過(guò)Midas Fea軟件構(gòu)建總體應(yīng)變裂縫模型，采用非線(xiàn)性靜力分析。運(yùn)行分析后，從圖6裂縫模式圖中可知，裂縫由橋墩橫梁底邊緣向上發(fā)展，主拉應(yīng)力流方向基本上與八字形斜裂縫發(fā)展方向垂直。從裂縫分布圖中也可看出，橋墩橫梁僅在主橋支座側(cè)呈現(xiàn)裂縫，引橋支座側(cè)無(wú)裂縫，與實(shí)際情況相同。

雖然現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)橋墩橫梁底部的豎向裂縫，但從圖6裂縫發(fā)展趨勢(shì)圖中可看出，隨著斜裂縫的出現(xiàn)，梁底也出現(xiàn)豎向裂縫，如果不對(duì)橫梁進(jìn)行有效加固，梁底及八字形裂縫將越來(lái)越嚴(yán)重，橫梁將產(chǎn)生較大變形甚至出現(xiàn)脆性破壞。

(a)階段1 (b)階段2

3 加固方法比選

對(duì)于橋墩橫梁受剪切破壞出現(xiàn)八字形裂縫，提高橫梁的抗剪承載力常規(guī)的加固方法，一般有增大截面法、錨固鋼板法、改變受力體系法等。

(1)增大截面加固法

在受損嚴(yán)重或強(qiáng)度降低較多的梁、板、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件中經(jīng)常用到該方法，它既提高了構(gòu)件的強(qiáng)度也能提高構(gòu)件的耐久性。該方法是通過(guò)增加原結(jié)構(gòu)的截面積，同時(shí)在附加的截面積中增設(shè)鋼筋，使得構(gòu)件的抗剪承載力得以增長(zhǎng)。但該方法對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度要求非常高，既要保證新增的混凝土不易被剝離，又要能與原構(gòu)件共同承受剪力，在實(shí)際操作中很難實(shí)施，而且質(zhì)量無(wú)法得到保障。

(2)錨固鋼板加固法

錨固鋼板加固方法，即在構(gòu)件外表面粘貼鋼板，然后對(duì)鋼板鉆孔打入錨栓，以提高鋼板與構(gòu)件的粘結(jié)強(qiáng)度，解決易剝離破壞的問(wèn)題。該工程橋墩橫梁由偏載產(chǎn)生剪切破壞，對(duì)抗剪承載力提升幅度要求較高，而錨固鋼板法對(duì)提高構(gòu)件抗剪能力的幅度有限。因此，該方法對(duì)裂縫的開(kāi)展雖然能起到限制、延緩作用，但并不能阻止裂縫發(fā)展，在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)加固構(gòu)件質(zhì)量得不到保證。

(3)改變結(jié)構(gòu)受力體系法

改變結(jié)構(gòu)受力體系法，即通過(guò)增設(shè)傳力構(gòu)件，改變?cè)瓨?gòu)件傳力路徑，進(jìn)而保護(hù)原受損構(gòu)件的方法。針對(duì)雙柱式花瓶墩的本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用在橋墩橫梁下澆筑新立柱，改變?cè)瓨蚨諜M梁受力體系，橫梁上支座反力直接傳遞到新澆筑的墩柱上，再由承臺(tái)將荷載傳遞到樁基礎(chǔ)，橫梁基本不再傳遞剪力，使得橋墩橫梁的結(jié)構(gòu)安全性及耐久性得到保證。

綜之，上述幾種常規(guī)的增加抗剪承載力方法，增大截面加固法和錨固鋼板加固法，治標(biāo)不治本，僅從提高抗剪承載力的層面考慮，并沒(méi)有解決結(jié)構(gòu)偏載問(wèn)題；而且，兩處加固方法對(duì)本次構(gòu)件加固存在較多的不足，而改變結(jié)構(gòu)受力體系法能夠從根源上解決橋墩橫梁構(gòu)件的偏載問(wèn)題，使橫梁抗剪承載力得到保證，因此采用該方法對(duì)結(jié)構(gòu)加固。

4 結(jié)構(gòu)加固計(jì)算

根據(jù)雙柱式花瓶墩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可預(yù)測(cè)在橫梁底澆筑立柱基本可行，但在橋墩橫梁下新澆筑鋼筋混凝土立柱增加了荷載，應(yīng)對(duì)墩柱承臺(tái)、樁基的承載力進(jìn)行復(fù)核。支座反力按照表1中取上部結(jié)構(gòu)自重及移動(dòng)荷載組合值來(lái)計(jì)算更為保守。橫梁偏載相對(duì)承臺(tái)、樁基影響不大，下部結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算時(shí)可不考慮橫梁偏載的影響。

4.1 承臺(tái)驗(yàn)算

承臺(tái)驗(yàn)算按照僅考慮新澆中柱作用于承臺(tái)且橫梁支反力荷載全部通過(guò)中柱向下傳遞工況，新澆中柱自重678kN，主梁支反力13 498kN。根據(jù)《公路橋規(guī)》[2]第8.5條對(duì)承臺(tái)的撐桿抗壓、系桿抗拉及沖切進(jìn)行驗(yàn)算，承臺(tái)計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表4 承臺(tái)計(jì)算結(jié)果匯總表 kN

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，承臺(tái)計(jì)算滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.2 復(fù)核樁基承載力

樁基受到的全部豎向荷載Nh應(yīng)小于[Ra]，Nh=F3+0.5qh，式中q為扣除浮力后每延米樁自重，h為樁長(zhǎng)，經(jīng)計(jì)算得Nh=13 738kN。

該項(xiàng)目樁基以中風(fēng)化花崗巖為持力層，frk取值11.17MPa，c1取值0.5,Ap為2.545m2，在不考慮土層側(cè)摩阻力僅考慮樁端基巖提供抗力的工況下，經(jīng)計(jì)算，其承載力容許值為14 214kN，該值大于13 738kN，滿(mǎn)足樁基承載力要求。

5 加固施工

新澆立柱施工工藝流程如下：施工準(zhǔn)備→施工放樣→承臺(tái)頂新舊砼接合面鑿毛、植筋→千斤頂對(duì)主梁卸荷→橋墩橫梁植筋→澆筑中柱砼→橋墩橫梁表面裂縫封閉處理→中柱砼養(yǎng)護(hù)→主梁回落→橋墩整體涂裝。其中，綁扎鋼筋如圖7所示。

圖7 綁扎鋼筋現(xiàn)場(chǎng)照片

為了使橋墩橫梁與立柱更好地銜接在一起，新澆立柱混凝土采用微膨脹混凝土，同時(shí)豎向主筋植入橋墩橫梁。在對(duì)橋墩橫梁底進(jìn)行鉆孔植筋時(shí)，橫梁的承載力有所削弱；在澆筑橫梁底中柱之前，對(duì)端橫梁的支座荷載進(jìn)行卸載。橫梁卸載后，橋墩橫梁變形恢復(fù)原狀，隨后澆筑墩柱，效果更好。因此，如何控制好上部端橫梁頂升、卸載是施工過(guò)程的一個(gè)重難點(diǎn)。

頂升時(shí)，設(shè)備放置在橫向兩個(gè)墩柱上，向上頂升主橋端橫梁，兩個(gè)花瓶墩千斤頂同步頂升，不得出現(xiàn)高低差；橫梁頂起過(guò)程，主橋橋面封閉交通，支座僅承受主梁恒載傳遞下來(lái)的豎向力8781kN。為避免上部端橫梁向上位移使橋梁產(chǎn)生縱橋向次內(nèi)力，上部主梁頂起時(shí)僅卸荷90%，即7903kN，嚴(yán)禁產(chǎn)生向上位移，支座與梁體不分離。一個(gè)橋墩處布置8個(gè)頂升設(shè)備，每個(gè)設(shè)備控制頂升力約990kN。施工及養(yǎng)護(hù)過(guò)程，確保各個(gè)相關(guān)設(shè)備性能良好及供電穩(wěn)定。頂升設(shè)備選用頂升力范圍不小于3倍控制頂升力的設(shè)備，頂升力分10級(jí)加載。

基于頂升設(shè)備在頂升過(guò)程中將對(duì)上部端橫梁施加向上頂升力，因此，對(duì)橫梁強(qiáng)度及應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。端橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，總長(zhǎng)37.5m，計(jì)算跨徑21m，采用有限元軟件建立梁?jiǎn)卧Ｐ停瑢?duì)端橫梁承載力及上下緣應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。加固后現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖8 加固后現(xiàn)場(chǎng)照片

表5 上部端橫梁計(jì)算結(jié)果匯總表

由表5中數(shù)據(jù)可知，頂升時(shí)，上部結(jié)構(gòu)端橫梁承載力及應(yīng)力驗(yàn)算符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

(1) 偏載會(huì)使構(gòu)件受力不均，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)偏載構(gòu)件，如不可避免，設(shè)計(jì)過(guò)程其結(jié)構(gòu)抗力應(yīng)充分考慮偏載影響。

(2) 橋墩橫梁多為深受彎構(gòu)件以抗剪脆性破壞為主，具有一定的不可預(yù)見(jiàn)性，因此支座等豎向傳力構(gòu)件應(yīng)盡量避免設(shè)置在雙柱式花瓶墩橫梁上。

(3) 花瓶墩橫梁抗剪加固，在條件許可情況下，推薦采用改變結(jié)構(gòu)受力體系方法。該方法不僅從本質(zhì)上優(yōu)化了結(jié)構(gòu)受力，而且結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)質(zhì)量更容易得到保障。