既有獨(dú)柱墩連續(xù)剛構(gòu)橋加固措施及效果分析

王媛媛， 孫愛芬

(山東華鑒工程檢測有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

獨(dú)柱墩橋梁是橫橋向用單柱來支撐上部結(jié)構(gòu)的橋梁，常見于高速公路、城市市政道路跨線橋梁、匝道橋梁等。與多柱式橋梁相比，該結(jié)構(gòu)因其占地少、能有效改善橋梁下部結(jié)構(gòu)布局、橋型美觀而受到廣大橋梁設(shè)計(jì)者的歡迎。然而，由于該橋梁結(jié)構(gòu)采用的是單點(diǎn)支撐型式，上部結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆能力在橋面偏載作用下受到極大地考驗(yàn)，抗傾覆能力不足將導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)整體橫向失穩(wěn)。近年來，全國已經(jīng)發(fā)生多起獨(dú)柱墩橋梁傾覆坍塌事故，造成不同程度的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。本文結(jié)合實(shí)際工程，針對獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆能力不足的問題，提出了相應(yīng)的加固方法，并進(jìn)行了加固效果對比分析。

1 橋梁概況

1.1 橋梁基本信息

橋梁為人行橋，單幅，共43 跨，橋梁全長200.442 m。上部結(jié)構(gòu)為(3.456+2×3.5+3.188+3.56+33×5+4.575+4.663+2×4+1)m 的鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)剛構(gòu)。橋面全寬均為2.89 m，橫向布置為0.195 m(欄桿)+2.5 m(人行道)+0.195 m(欄桿)，下部結(jié)構(gòu)均為直徑為30 cm 的鋼筋混凝土單柱式墩(局部平臺位置為雙柱式橋墩)，樁基礎(chǔ)。橋梁平面、橫斷面分別如圖1、圖2所示。

圖1 橋梁平面布置(單位：cm)

圖2 橋梁橫斷面(單位：cm)

1.2 橋梁現(xiàn)狀

該橋施工工期4個(gè)月，竣工投入使用后，建設(shè)方發(fā)現(xiàn)在行人走動(dòng)時(shí)，橋面出現(xiàn)明顯異?；蝿?dòng)。為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用，建設(shè)方委托檢測單位對該橋進(jìn)行了現(xiàn)場檢測及技術(shù)狀況等級評定。根據(jù)現(xiàn)場外觀檢測的情況，該橋梁存在的主要病害如下：

(1)全橋范圍內(nèi)橫梁與縱梁連接處存在焊縫未焊滿或未焊接現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 縱梁與橫梁連接處未焊接

(2)縱梁和橫梁鋼板螺栓連接不到位。

(3)全橋墩柱上方預(yù)埋鋼板不到位、鋼板整體銹蝕等，如圖4所示。

圖4 墩頂預(yù)埋鋼板病害 圖5 墩柱環(huán)形裂縫

(4)部分墩柱距墩頂0.7 m范圍內(nèi)存在環(huán)形裂縫，縫寬0.10～0.19 mm，如圖5所示。

2 橋梁病害分析及加固建議

2.1 橋梁靜載試驗(yàn)

為了測試橋跨結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下的受力性能，掌握結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況，對該橋病害集中的第30跨進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，取受力最不利的中縱梁及邊縱梁進(jìn)行測試，控制斷面為中縱梁及邊縱梁的支點(diǎn)截面、跨中截面[1]。測試主要內(nèi)容為各級荷載下截面各控制測點(diǎn)應(yīng)變及觀測固結(jié)處焊縫固結(jié)情況，具體測試結(jié)果如表1所示。

表1 靜載試驗(yàn)測試截面應(yīng)變/撓度檢驗(yàn)系數(shù)

本段橋梁靜載試驗(yàn)各工況加載過程中控制截面均未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，各截面的撓度及應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)見表1。依據(jù)《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T233-2015)的要求，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)不應(yīng)超過1.0，試驗(yàn)跨控制截面強(qiáng)度及剛度均不滿足設(shè)計(jì)要求。

荷載試驗(yàn)結(jié)果顯示橋梁上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度不滿足設(shè)計(jì)荷載的要求，不能保證結(jié)構(gòu)安全使用，因此必須及時(shí)采用合適的方式對橋梁進(jìn)行維修加固，保證安全運(yùn)行。

2.2 病害分析

(1)該橋梁上部結(jié)構(gòu)存在橫縱梁連接處焊縫未焊滿或未焊接、螺栓連接偏位等施工質(zhì)量問題，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)縱橫梁連接無法達(dá)到原設(shè)計(jì)的剛接狀態(tài)，這些因素直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在荷載作用下的橫向分布不良，大大降低了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度，結(jié)構(gòu)在荷載作用下可能局部出現(xiàn)較大的應(yīng)力及變形。

(2)連續(xù)剛構(gòu)橋獨(dú)柱墩墩梁固結(jié)點(diǎn)的剛接程度是決定橋面抗傾覆能力的關(guān)鍵。本橋由于施工質(zhì)量不良：墩頂預(yù)埋鋼板不到位、墩頂混凝土澆筑不密實(shí)，導(dǎo)致部分墩梁固結(jié)點(diǎn)無法達(dá)到原設(shè)計(jì)的剛性連接，橋面的抗扭剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)的狀態(tài)，從而造成橋面較大的晃動(dòng)及扭轉(zhuǎn)變形。

(3)由于墩梁固結(jié)點(diǎn)施工質(zhì)量問題，各墩的墩梁結(jié)點(diǎn)剛度大小不一，上部結(jié)構(gòu)在最不利偏載作用下產(chǎn)生的傾覆翻轉(zhuǎn)扭矩集中分布在各墩梁固結(jié)點(diǎn)，進(jìn)而造成墩身出現(xiàn)了環(huán)向的彎拉裂縫。此裂縫為結(jié)構(gòu)受力裂縫，需重視。

綜上所述，本橋質(zhì)量不佳，結(jié)構(gòu)病害較多，對橋梁結(jié)構(gòu)承載力及抗傾覆能力影響較大。

2.3 維修加固建議

為保證橋梁上部結(jié)構(gòu)梁體的強(qiáng)度、剛度符合設(shè)計(jì)要求，避免梁體出現(xiàn)較大的應(yīng)力、變形甚至橋面翻轉(zhuǎn)傾覆，避免橋墩出現(xiàn)環(huán)向彎拉裂縫，結(jié)合橋梁的實(shí)際情況，建議在采取補(bǔ)設(shè)焊縫等彌補(bǔ)施工質(zhì)量缺陷的同時(shí)，對該橋的抗傾覆承載能力進(jìn)行加強(qiáng)。加固方式分別為：

(1)在兩個(gè)固結(jié)墩之間縱橋向跨中位置，橫向布設(shè)尺寸為(500～300)mm×300 mm×12 mm×18 mm的變截面H 型鋼懸臂肋梁，懸臂梁端部錨固于橋側(cè)道路的擋土墻內(nèi)，如圖6所示。

(2)在墩柱上方1.2 m 范圍內(nèi)加設(shè)抱箍，兩側(cè)各加設(shè)一道H 型鋼斜撐，斜撐與橫梁、抱箍均采用焊接連接，如圖7所示。

圖6 懸臂肋梁加固(單位：cm) 圖7 墩頂抱箍+斜撐+橫梁加固(單位：cm)

3 加固效果分析

為了評估橋梁的承載力現(xiàn)狀并對比分析不同加固方式的加固效果，選取本橋4×5 m的跨徑橋段，對其上部結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行了建模計(jì)算。

3.1 建立有限元模型

采用大型有限元程序MIDAS Civil -2020進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，按照橋梁結(jié)構(gòu)的不同狀態(tài)，分別對原設(shè)計(jì)狀態(tài)及不同加固方式的橋梁建模計(jì)算，對如圖8所示的四種工況進(jìn)行建模分析。

圖8 橋梁有限元模型

(1)工況一，剛構(gòu)橋(原設(shè)計(jì)狀況)。

(2)工況二，連續(xù)梁橋(橋梁病害服役狀態(tài)；考慮墩梁連接質(zhì)量較差，除中間節(jié)點(diǎn)為剛接，其它位置的墩梁連接定義為鉸接，建立連續(xù)梁橋模型，更好的模擬橋梁的現(xiàn)狀受力狀態(tài))。

(3)工況三，剛構(gòu)橋(采用墩頂抱箍+斜支撐加固后的狀況)。

(4)工況四，連續(xù)梁橋(采用增設(shè)橫向懸臂梁加固后的狀況，橫向懸臂梁縱向每跨居中設(shè)置一道)。

3.2 結(jié)果分析

強(qiáng)度：上部結(jié)構(gòu)縱、橫梁在最不利荷載作用下控制截面的最大應(yīng)力比驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

表2 截面強(qiáng)度驗(yàn)算(應(yīng)力比)

變形：上部結(jié)構(gòu)縱、橫梁控制截面的最大豎向位移、最大傾覆扭轉(zhuǎn)角如表3所示。

表3 各工況下變形驗(yàn)算結(jié)果

通過對建模計(jì)算數(shù)據(jù)的對比分析，得到以下結(jié)論：

(1)原設(shè)計(jì)狀態(tài)下，上部結(jié)構(gòu)在最不利偏載作用下的抗傾覆能力不足，將出現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)變形；各截

面的撓度及應(yīng)變均不滿足《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ99-2017)要求，在施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的情況下，結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力將進(jìn)一步降低，在最不利荷載作用下將出現(xiàn)橋面橫向傾覆甚至垮塌的危險(xiǎn)。

(2)采用增設(shè)墩頂鋼抱箍、增加懸臂鋼橫梁的方式均可以較大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)縱橫梁連接及墩梁的連接質(zhì)量、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及整體剛度，可使橋梁結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)接近原設(shè)計(jì)受力狀態(tài)，減小縱梁的跨中豎向變形，并大幅減小橋面的橫向翻轉(zhuǎn)變形，使結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

(3)與墩頂增設(shè)鋼抱箍的加固方式相比，采用增設(shè)懸臂鋼橫梁的加固方式對橋梁上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、整體剛度的加固效果更好，同時(shí)不會(huì)對橋墩的受力狀態(tài)造成影響。因而，建議在有條件的情況下，優(yōu)先選擇增設(shè)懸臂鋼橫梁的加固方式，對橋梁進(jìn)行加固維修。

4 結(jié)論

本文針對既有獨(dú)柱墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁使用過程中出現(xiàn)的上部結(jié)構(gòu)明顯晃動(dòng)問題，通過外觀檢測、靜載試驗(yàn)等方法的綜合運(yùn)用，掌握了橋梁病害的成因；提出了針對性的加固建議，并對比分析了不同加固方式的加固效果。得到的主要結(jié)論如下：

(1)本橋因施工質(zhì)量控制不良致使獨(dú)柱墩連續(xù)剛構(gòu)體系的抗扭剛度不足，在最不利偏載作用下，上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)變形，進(jìn)而使用過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的橋面變形及晃動(dòng)，抗傾覆能力不足。

(2)本文提出的增設(shè)墩頂鋼抱箍、增加懸臂鋼橫梁的方式均可較大的提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度，并極大的提高獨(dú)柱墩的抗傾覆能力、降低橋梁傾覆翻轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)，保證橋梁的結(jié)構(gòu)安全。