支墩頂升加固大跨蓋梁技術(shù)的探索

趙 娟 黃正猛 張建平

（云南九達(dá)交通建設(shè)有限公司,云南 昆明 650000）

某公路橋梁多次跨越地方道路,部分交角較小的橋墩采用了門架墩,上部結(jié)構(gòu)采用40m 跨徑預(yù)應(yīng)力T 梁結(jié)構(gòu),先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)。門架墩蓋梁長度有21m、30m 兩種規(guī)格,為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,一側(cè)墩梁固結(jié),一側(cè)墩頂設(shè)置可橫向活動(dòng)的盆式橡膠支座。在橋梁完成橋面鋪裝施工但尚未通車階段,門架墩蓋梁底面及兩側(cè)面出現(xiàn)不同程度的裂縫,21m 蓋梁裂縫寬0.06～0.26mm,30m 蓋梁裂縫寬0.2～1.2mm。經(jīng)計(jì)算核實(shí),門架墩存在支座承載力不足、蓋梁安全系數(shù)偏低的問題,為確保門架墩結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性,需對門架墩蓋梁進(jìn)行加固處理。本文通過方案比選,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件,提出采用新增支墩頂升加固方案進(jìn)行工程處治。

1 工程概況

21m 長度蓋梁跨中高2.8m,端部高3.8m,橫向尺寸2.2m,上部結(jié)構(gòu)為5 片跨度40m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁,上部橋梁中心線與蓋梁跨徑中心線間距為4.275m；蓋梁設(shè)置12 根7φs15.2mm 預(yù)應(yīng)力,底部設(shè)2 排共34 根φ25mm 主筋,墩柱為2m×2m 矩形墩。

30m 長度蓋梁跨中高3.5m,端部高4.5m,橫向尺寸2.2m,上部結(jié)構(gòu)為10 片跨度40m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁,上部橋梁中心線與蓋梁跨徑中心線間距為6.5m；蓋梁設(shè)置12 根12φs15.2mm 預(yù)應(yīng)力,底部設(shè)2 排共34 根φ25mm主筋,墩柱為2.4m×2m 矩形墩。

成橋后發(fā)現(xiàn),門架墩蓋梁出現(xiàn)多條裂縫,裂縫典型形態(tài)為蓋梁底緣及側(cè)緣橫向貫穿裂縫,如圖1 所示。

圖1 蓋梁裂縫示意圖

各裂縫為橫向裂縫,其中21m 蓋梁最大裂縫寬度0.26mm,30m 蓋梁發(fā)現(xiàn)多條寬度大于0.55mm 的裂縫,初步分析為蓋梁正截面抗裂不足所致。

2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

采用有限單元軟件Midas 對各類型門架墩進(jìn)行驗(yàn)算,蓋梁和墩柱剛接一側(cè)采用剛性連接模擬,蓋梁和墩柱設(shè)置支座一側(cè)采用剛臂連接。分別計(jì)算上部結(jié)構(gòu)的預(yù)制梁和濕接縫、橋面鋪裝、護(hù)欄等結(jié)構(gòu)自重以及汽車等可變荷載作用下邊梁和中梁的反力,施加于蓋梁上。如圖2所示。

圖2 有限元模型示意圖

2.1 主要計(jì)算荷載

2.1.1 根據(jù)上部40mT 梁相關(guān)圖紙計(jì)算上部結(jié)構(gòu)自重如表1。

表1 上部T 梁結(jié)構(gòu)自重表

2.1.2 按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）計(jì)算車道荷載作用下次邊支點(diǎn)反力如表2。

表2 車道荷載反力計(jì)算表

車道在蓋梁對應(yīng)的橋面加載范圍內(nèi)根據(jù)影響線加載,汽車沖擊系數(shù)取0.35,兩車道內(nèi)車道折減系數(shù)為1,三車道以上取車道折減系數(shù)0.9。

2.1.3 門架墩均勻升降溫按±25℃計(jì)算。

2.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算核查,橋墩蓋梁抗彎承載力不足,成橋階段蓋梁截面下緣拉應(yīng)力均大于1.15ftk’=2.59MPa,如表3。

表3 門架墩蓋梁主要計(jì)算結(jié)果表

同時(shí),計(jì)算成橋階段支座反力已遠(yuǎn)大于盆式支座承載力,說明支座承載力不滿足結(jié)構(gòu)受力需要。

3 蓋梁處治方案比選

3.1 處治要點(diǎn)

3.1.1 經(jīng)驗(yàn)算,蓋梁抗彎承載力不足,但抗剪承載力可滿足規(guī)范要求。因此,蓋梁處治以加強(qiáng)蓋梁縱向配筋提高抗彎承載力或降低彎矩為主。

其中,30m 蓋梁已進(jìn)入屈服階段,應(yīng)采用主動(dòng)加固措施,減低鋼筋應(yīng)力和混凝土壓應(yīng)力,對蓋梁進(jìn)行鉆孔等局部破壞性作業(yè)前,應(yīng)對蓋梁進(jìn)行臨時(shí)支撐,以確保安全。

3.1.2 各蓋梁支座已破壞,需進(jìn)行更換并加大支座型號(hào)。

3.1.3 橋梁位于高烈度抗震設(shè)防區(qū)（Ⅷ度,地震動(dòng)峰值加速度0.2g）,門架墩在一聯(lián)橋墩中承受水平力較大,而橋墩主筋配筋率配置偏低,不利于抗震。

因此該類型蓋梁處治時(shí),不宜過多加載或擾動(dòng)梁柱剛接點(diǎn),以免地震作用增大較多或結(jié)構(gòu)抗震承載力降低。

3.2 處治方案

由于上部結(jié)構(gòu)鋪裝已完成,蓋梁拆除重建施工難度大、造價(jià)高、工期長,因此主要采用加固處治方案,確保結(jié)構(gòu)安全可靠。由于本項(xiàng)目蓋梁高跨比較大,剛度和抗剪承載力均滿足要求,不適宜增大截面法。

3.2.1 預(yù)應(yīng)力加固法

在蓋梁側(cè)面和底面新澆筑混凝土,并通過植筋與原結(jié)構(gòu)連接,并在兩側(cè)板和底板設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束,達(dá)到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)承載力的目的。

該加固方法適宜于本項(xiàng)目各蓋梁的加固,可根據(jù)各蓋梁類型受力特點(diǎn),調(diào)整預(yù)應(yīng)力鋼束配置和現(xiàn)澆層厚度；需注意排查影響預(yù)應(yīng)力加固效果的因素,如支座、墩剛度等邊界條件造成的預(yù)應(yīng)力損失,新舊混凝土結(jié)合、新老混凝土結(jié)構(gòu)協(xié)同受力等。

3.2.2 粘貼鋼板加固法

采用螺栓和結(jié)構(gòu)膠將鋼板固定在蓋梁側(cè)面和底面,提高蓋梁承載力。該方法造價(jià)低,但需在原結(jié)構(gòu)大量植筋以確保鋼板有效參與結(jié)構(gòu)受力,因此提升承載力有限。

3.2.3 改變結(jié)構(gòu)體系

通過增加支點(diǎn)、鉸接改固結(jié)、簡支變連續(xù)等方法減少結(jié)構(gòu)內(nèi)力,但是應(yīng)避免支點(diǎn)附近的負(fù)彎矩超過抗彎承載力。本項(xiàng)目各蓋梁為跨越地方道路而設(shè),可采用在蓋梁下增加支點(diǎn)、減小跨徑的處治措施,降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力。由于蓋梁當(dāng)前階段鋼筋及混凝土應(yīng)力過大,采用增設(shè)支點(diǎn)法時(shí),需對蓋梁進(jìn)行頂升,以達(dá)到減少蓋梁內(nèi)力,同時(shí)可以減少支座反力,降低支座更換難度。

4 蓋梁處治方案設(shè)計(jì)

綜合考慮造價(jià)、施工風(fēng)險(xiǎn)、難度、工期等因素,設(shè)計(jì)采用增設(shè)墩柱、在增設(shè)墩柱頂對門架墩蓋梁進(jìn)行頂升,同時(shí)在蓋梁底部粘貼鋼板的方案。

蓋梁處治總體施工順序?yàn)椋夯炷亮芽p處理→增加支墩處治→支墩預(yù)壓過程中,原支座處頂升蓋梁、更換支座→壓力注漿粘貼鋼板。

4.1 處治設(shè)計(jì)目標(biāo)

4.1.1 裂縫處理

首先對蓋梁裂縫進(jìn)行處理,以減少頂升蓋梁的變形量,避免T 梁因頂升開裂。對于裂縫寬度≥0.15mm 的裂縫采用壓力注膠法,對于裂縫寬度＜0.15mm 的裂縫采用表面封閉法。

4.1.2 頂升力要求

結(jié)合現(xiàn)場下穿道路、地形等因素,合理確定支墩數(shù)量和位置,支墩宜盡可能靠近跨中布設(shè)以減少蓋梁內(nèi)力,根據(jù)支墩位置,選取合適的頂升力。

頂升力應(yīng)能有效對蓋梁卸載,同時(shí)不宜過大,以免蓋梁上緣及上部T 梁開裂,頂升時(shí)蓋梁截面上緣及T 梁應(yīng)力需滿足規(guī)范對于A 類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的抗裂要求。

根據(jù)微網(wǎng)的控制方式,當(dāng)微網(wǎng)和主網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),超導(dǎo)磁場儲(chǔ)能技術(shù)通過PQ控制方法,將有功與無功功率設(shè)定為零;若微網(wǎng)處在孤島運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí),超導(dǎo)磁場儲(chǔ)能技術(shù)可轉(zhuǎn)變現(xiàn)有控制策略,轉(zhuǎn)換為恒壓恒頻控制方法,進(jìn)而保障微網(wǎng)孤島運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的電位與頻率的穩(wěn)定性,從而保障超導(dǎo)磁場儲(chǔ)能技術(shù)下的實(shí)時(shí)調(diào)控和微網(wǎng)孤島運(yùn)轉(zhuǎn)下的供電質(zhì)量。超導(dǎo)磁場儲(chǔ)能技術(shù)下的電磁儲(chǔ)能架構(gòu)如圖3所示。

4.1.3 正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力要求

由于蓋梁已開裂,受拉區(qū)混凝土的拉應(yīng)力得到釋放、抗拉強(qiáng)度降為零,因此混凝土構(gòu)件開裂前的拉應(yīng)力不能與處治后的拉應(yīng)力累加。所以,處治后的蓋梁進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算時(shí),不宜采用適用于新建構(gòu)件的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行頻遇組合、準(zhǔn)永久組合下的拉應(yīng)力驗(yàn)算,而應(yīng)以處治完成后,新增荷載所產(chǎn)生的拉應(yīng)力不超過規(guī)定值為控制目標(biāo)。

因此,正常使用極限狀態(tài)的抗裂驗(yàn)算,宜以處治完成后,新增荷載頻遇值所產(chǎn)生的拉應(yīng)力不超過0.7ftk=1.855MPa（參考A 類構(gòu)件抗裂驗(yàn)算取值）,確保構(gòu)件不再進(jìn)一步開裂,保證結(jié)構(gòu)的耐久性。

4.1.4 抗彎承載力要求

蓋梁受拉區(qū)混凝土由于開裂及頂升卸載后,拉應(yīng)力得到釋放,同時(shí)對裂縫進(jìn)行注膠封閉、梁底粘貼鋼板、環(huán)氧砂漿抹面,可認(rèn)為處治后受拉區(qū)混凝土現(xiàn)存拉應(yīng)力接近于零,抗拉強(qiáng)度得到恢復(fù),蓋梁抗彎承載力得到提升,安全系數(shù)不低于1.2。

4.2 處治方案設(shè)計(jì)

利用Midas 進(jìn)行計(jì)算,按照處治目標(biāo)確定頂升力及粘貼鋼板要求。模擬分析的主要施工階段為：①澆筑墩柱、蓋梁混凝土,張拉蓋梁下層鋼束,拆除蓋梁支架；②架設(shè)上部T 梁；③張拉蓋梁上層鋼束；④施工各T 梁濕接縫；⑤施工橋面系、護(hù)欄等附屬構(gòu)造；⑥新增墩柱施工；⑦1.1 倍頂升力預(yù)壓新增墩柱；⑧施加頂升力；⑨設(shè)置新增墩柱支座；⑩成橋運(yùn)營,并考慮十年收縮徐變影響。

4.2.1 施加頂升力

對各門架墩增設(shè)支墩,結(jié)合墩距、蓋梁卸載及應(yīng)力情況選取頂升力。通過全橋模型及單獨(dú)蓋梁模型計(jì)算對比,頂升力作用效應(yīng)約90%由蓋梁承擔(dān),剩下10%由上部T 梁、防撞護(hù)墻及橋面現(xiàn)澆層組成的結(jié)構(gòu)體系承擔(dān)。

經(jīng)計(jì)算確定21m 蓋梁適宜施加頂升力4200kN,30m蓋梁適宜施加頂升力7000kN,施加頂升力后,蓋梁內(nèi)力、應(yīng)力情況如表4、表5 所示。

表4 新增支墩施加頂升力后蓋梁內(nèi)力表

表5 增支墩施加頂升力后蓋梁應(yīng)力情況表

通過計(jì)算可知,增設(shè)支墩施加頂升力后,蓋梁彎矩設(shè)計(jì)值分別下降30%、47%,抗彎安全系數(shù)分別由0.6、0.8提升到1.1、1.2,蓋梁下緣拉應(yīng)力分別減少3MPa、8.35MPa。

4.2.2 粘貼鋼板

在蓋梁底部粘貼5 條30cm 寬、厚度為12mm 的Q420C 鋼板,提高蓋梁承載力。在Midas 計(jì)算時(shí)鋼板根據(jù)強(qiáng)度等效成37 根φ25mm 鋼筋作用于蓋梁截面下緣,同時(shí)根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》6.2.2～6.2.3 條內(nèi)容,考慮蓋梁預(yù)應(yīng)力作用,計(jì)算粘貼鋼板后的抗彎承載力,兩種計(jì)算結(jié)果對比如表6 所示。

表6 增支墩施加頂升力粘貼鋼板后蓋梁承載力情況表

通過計(jì)算可知,鋼板等代成強(qiáng)度等效的鋼筋與鋼板計(jì)算基本一致,粘貼鋼板后,蓋梁抗彎承載力安全系數(shù)提高到1.2 以上,達(dá)到治理目標(biāo)要求。

4.2.3 正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力驗(yàn)算（表7）

表7 處治完成后蓋梁正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力表

處治完成后,新增荷載作用的應(yīng)力即為汽車荷載作用效應(yīng)頻遇值,均小于1.855MPa,因此,在新增荷載作用下,構(gòu)件不會(huì)進(jìn)一步開裂,滿足正常使用極限狀態(tài)正截面抗裂要求。

4.2.4 支反力計(jì)算（表8）

表8 新增支墩施加頂升力粘貼鋼板后蓋梁承載力情況表

5 結(jié)論

本文通過對門架墩大跨蓋梁開裂進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)合實(shí)際情況,對幾種加固方法進(jìn)行比選,提出采用新增支墩頂升加固蓋梁的方案,得出主要結(jié)論如下：

5.1 蓋梁承載力不足產(chǎn)生裂縫,其處治應(yīng)以加強(qiáng)蓋梁縱向配筋,提高抗彎承載力或降低彎矩為主。

5.2 采用支墩頂升加固蓋梁改變結(jié)構(gòu)受力體系的加固方法可有效降低蓋梁內(nèi)力、減少支座反力,同時(shí)節(jié)約造價(jià)。

5.3 橋梁上部結(jié)構(gòu)、防撞護(hù)墻及橋面現(xiàn)澆層組成的結(jié)構(gòu)體系會(huì)承受部分頂升力作用,頂升力的選擇應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)體系的影響。