在役城市獨柱大懸臂橋梁撞擊后損傷加固研究

許宏偉,周 潔，李 勇

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2.石家莊市道橋設(shè)施管護(hù)中心，河北 石家莊 050000)

采用獨柱大懸臂蓋梁設(shè)計的城市高架橋，具有上部橋面較寬、有效提高通行能力，下部占用土地面積少、可以充分利用地面空間且視野良好的典型特點，在城市橋梁設(shè)計中往往成為優(yōu)先選擇的結(jié)構(gòu)形式。近年來石家莊市在役的獨柱大懸臂蓋梁高架橋累計已近20座，其中二環(huán)路高架、和平路高架、槐安路高架、中華大街高架等主要干道均有此種結(jié)構(gòu)形式。但該種橋梁存在著整體抗傾覆能力較差、梁墩組合結(jié)構(gòu)受力集中容易產(chǎn)生病害墩、支座受力不均易導(dǎo)致脫空及橋墩防撞和抗震能力差等問題[1-4]。如何對橋梁病害進(jìn)行不中斷行車條件下及時維修，盡可能降低對城市交通的影響避免產(chǎn)生二次事故，不僅能夠節(jié)約相當(dāng)大的加固或拆建費用，而且能夠防止結(jié)構(gòu)病害的嚴(yán)重發(fā)展、避免重大橋梁坍塌事故的發(fā)生，具有不可估測的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 工程概況

石家莊市某高架橋，設(shè)計荷載城-A，雙向四車道，設(shè)計時速80 km/h，標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?7.5 m，上跨京廣鐵路，與原有立交相交處，設(shè)一對上下匝道，其東側(cè)與原有立交主線相連；由于原有立交高度較低，該處橋墩高度僅5.87 m，墩柱、蓋梁及基礎(chǔ)截面尺寸如圖1所示，蓋梁下車道凈空約5.2 m。該橋處于城市東西交通主干道上，交通量較大，橋梁的安全運營與否對城市交通出行有較大影響。

圖1 墩柱、蓋梁及基礎(chǔ)截面尺寸(單位：mm)

2 蓋梁及墩柱病害現(xiàn)狀

橋梁下部結(jié)構(gòu)常見病害主要有墩臺身的橫向豎向和網(wǎng)狀裂縫，由于墩臺身多為大體積混凝土，裂縫產(chǎn)生的主要原因是溫差或者養(yǎng)護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致的收縮裂縫。對于城市獨柱墩橋梁，為了盡可能的利用城市空間，橋下一般設(shè)有車道，超高超重車輛撞擊蓋梁的事件時有發(fā)生，由于獨柱墩抗扭性能差，蓋梁在外力撞擊下，會對橋墩產(chǎn)生較大扭矩，從而導(dǎo)致墩身產(chǎn)生開裂。

該橋東西走向，HP-S139號墩柱由于東行重車超高撞擊南側(cè)蓋梁底部，導(dǎo)致墩柱及蓋梁存在裂縫及混凝土脫落、鋼筋外露等損傷發(fā)生。其中，蓋梁南側(cè)底部混凝土損傷較為嚴(yán)重，底排部分鋼筋及箍筋存在外漏、銹蝕的現(xiàn)象，部分豎向鋼筋及箍筋存在斷裂現(xiàn)象，蓋梁南側(cè)上部混凝土存在開裂現(xiàn)象；蓋梁北側(cè)無明顯損傷。墩柱部分區(qū)域存在多條裂縫，裂縫寬0.2～1.5 mm、長140～1 480 mm不等，經(jīng)鉆芯取樣檢查，為貫通裂縫。

3 橋梁墩柱病害處理

3.1 蓋梁病害處理

南側(cè)蓋梁混凝土損傷較為嚴(yán)重，蓋梁下表面及倒角處損傷，經(jīng)過分析病害對于結(jié)構(gòu)受力沒有明顯影響，主要是對結(jié)構(gòu)耐久性影響較大，處理方式為對表面混凝土剝落及破損處采用聚合物水泥砂漿修補，對生銹鋼筋及斷裂鋼筋進(jìn)行除銹及加固(補焊鋼筋)處理，如圖2所示。表面修補完成后粘貼1.4 mm厚碳纖維板對蓋梁底面進(jìn)行封閉處理，并在側(cè)面粘貼碳纖維布條進(jìn)行加強(qiáng)處理，詳見圖3。

圖2 鋼筋補強(qiáng)

圖3 蓋梁碳纖維板加強(qiáng)(單位：mm)

3.2 墩柱病害處理

3.2.1 加固方案比選

根據(jù)檢測，墩柱裂縫為貫通裂縫，混凝土發(fā)生開裂，鋼筋完好。根據(jù)現(xiàn)場交通量及墩柱病害情況，選取兩種加固方案進(jìn)行比選：第一種為原位拆除更換法，即在原墩身周圍增加鋼支撐代替原墩柱頂托梁體及蓋梁，使原墩柱不承載，拆除原墩柱開裂部分，重新澆筑混凝土；第二種為對原墩柱裂縫進(jìn)行表面封閉及壓力注漿處理，然后采用增大截面法進(jìn)行加固處理，即在原有墩柱周圍澆筑一層混凝土，并用鋼板進(jìn)行包裹。

通過方案比選，增大截面法具有橋下封閉時間短、不需要橋上限行、施工難度及風(fēng)險低的明顯優(yōu)勢，最終選擇增大截面法方案進(jìn)行墩柱加固：首先對墩柱裂縫封閉或者壓力注漿處理，然后采用增大截面法進(jìn)行加固(如圖4所示)，根據(jù)矩形截面受扭時長邊中間首先破壞的特點，并結(jié)合行車道需求，順橋向(寬度較大)厚度增加大于橫橋向(寬度較小)厚度增加，增大截面部分采用CGM灌漿料澆筑。

圖4 墩柱增加截面布置(單位：mm)

3.2.2 處理過程

(1)荷載卸除：墩柱加固前，由于仍然受到上部活載作用，裂縫處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，墩柱病害處理前，施工中采用增加鋼支撐的方式進(jìn)行卸載處理，在橫橋向墩身兩側(cè)增加鋼管墩柱，通過液壓千斤頂施加壓力消除活載的影響。

采用梁格法建立兩跨橋梁的整體模型，橫隔板、梁體、橋墩及蓋梁截面均根據(jù)設(shè)計截面確定，蓋梁與橋墩之間采用剛性連接，蓋梁與梁體支架采用受壓彈性連接，兩邊跨支座位置直接施加約束，中間橋墩底部按固定端約束。根據(jù)移動荷載追蹤分析結(jié)果，墩側(cè)鋼支撐需要支撐的荷載為1 220.23 kN，實際施工時為消除車輛影響，單側(cè)鋼支撐預(yù)頂荷載控制值為1 300 kN。

(2)墩柱裂縫處理：對墩柱裂縫寬度小于0.15 mm的裂縫采用封閉法處理，對于較深、寬度≥0.15 mm的裂縫采用壓力注漿法處理。

(3)墩柱增大截面加固處理：構(gòu)件結(jié)合面處理→

原結(jié)構(gòu)上植筋及鋼筋綁扎→原混凝土面清潔→模板支護(hù)及CGM灌漿料澆筑。其施工要點有：①構(gòu)件結(jié)合面鑿毛處理，凹凸差不宜小于6 mm，并露出粗骨料。②植筋需做抗拉拔試驗，合格后綁扎鋼筋，新增鋼筋骨架應(yīng)與錨筋連成整體。③在澆筑前清洗鑿毛后的混凝土表面并保持濕潤。④外包鋼板焊縫需做探傷檢查，外包鋼板不能作為外模板使用。⑤CGM灌漿料澆筑時要加強(qiáng)檢查，保證灌注密實。

4 實施效果分析

根據(jù)實施方案，加固后效果為：①墩柱裂縫通過封閉及壓漿處理后截面豎向承載力滿足要求；②墩柱外包處理后，截面面積增加了48.9%，且增加部分灌漿料強(qiáng)度達(dá)到C60，高于原墩柱設(shè)計強(qiáng)度C40，所以豎向承載能力有明顯提高；③僅考慮混凝土本身的抗壓能力，加固后豎向承載力提高70%；④新增部分截面受扭塑性抵抗矩Wt是原截面的1.27倍，所以結(jié)構(gòu)抗扭能力也顯著提高。

對于墩柱考慮撞擊力時按偶然組合計算，荷載組合為：永久作用標(biāo)準(zhǔn)值+縱向撞擊作用標(biāo)準(zhǔn)值+汽車荷載頻遇值，撞擊力按1 000 kN取值，汽車荷載頻遇值系數(shù)取0.7。采用有限元軟件Ansys建立橋墩的實體有限元模型，混凝土采用solid185單元考慮材料的非線性，用DPC模型模擬混凝土結(jié)構(gòu)分析，鋼筋和箍筋采用link180建立，并考慮梁體支座的彈性約束，加固后的外包鋼板采用SHELL61單元附在混凝土實體單元表面，并考慮材料按雙線性模型進(jìn)行輸入。計算時，永久荷載及汽車頻遇荷載按節(jié)點荷載施加，撞擊力考慮材料非線性按時間步均勻逐步施加。

計算結(jié)果顯示，墩身加固前，加載至0.17 s以后，結(jié)構(gòu)不再收斂，可判定為橋墩開始產(chǎn)生裂縫，總時間為1 s，即撞擊荷載加載到約170 kN時墩柱開始發(fā)生破壞。加固完成后，橋墩結(jié)構(gòu)完全能夠承受車輛的沖擊荷載作用，此時墩柱的應(yīng)力云圖如圖5所示?？梢?，墩柱加固完成后，在1 000 kN的撞擊力作用下，混凝土拉應(yīng)力為1.86 MPa，小于混凝土的抗拉強(qiáng)度；外包鋼板的應(yīng)力21.4 MPa，遠(yuǎn)小于鋼材的屈服強(qiáng)度，墩柱抗扭承載能力提升顯著。

圖5 橋墩拉應(yīng)力云圖(單位：N/m2)

5 結(jié)束語

論文從石家莊某獨柱墩橋受車輛撞擊產(chǎn)生的蓋梁及墩柱病害分析入手，通過對比原位拆除更換法及增大截面法，提出不間斷運行條件下獨柱墩加固方法。橋梁加固后多年的運營實踐表明，壓力注漿和截面增大相結(jié)合是在不中斷交通的情況下較好的加固方式，既保證了運營安全又能節(jié)約維修養(yǎng)護(hù)費用。