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，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240m(4×30m+4×30m)，雙向6車道，設(shè)計(jì)荷載為城-A級[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二級鋼筋；橫梁底設(shè)置52根28mm二級鋼筋；箍筋為8肢16mm二級鋼筋。

該橋于2009年建成通車，在2013年養(yǎng)護(hù)單位對該橋梁例行檢查時(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)行對比；抗剪承載力根據(jù)國內(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](以下簡稱《公路橋規(guī)》)和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2010)[3](以下簡稱《混凝土規(guī)范》)進(jìn)行計(jì)算；通過有限元軟件查看裂縫發(fā)展趨勢。

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的荷載，因此建立主橋及引橋縱橋向梁單元有限元模型計(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，移動荷載采用城-A級車道荷載[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?；耍謩e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)，參照墩臺蓋梁構(gòu)件對橋墩橫梁驗(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。

通過以上兩種規(guī)范對抗剪承載力的計(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，抗剪承載力滿足不了要求。該計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(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)無裂縫。

2.3 裂縫趨勢分析

通過Midas Fea軟件構(gòu)建總體應(yīng)變裂縫模型，采用非線性靜力分析。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)無裂縫，與實(shí)際情況相同。

雖然現(xiàn)場未發(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，如果不對橫梁進(jìn)行有效加固，梁底及八字形裂縫將越來越嚴(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。但該方法對粘結(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題。該工程橋墩橫梁由偏載產(chǎn)生剪切破壞，對抗剪承載力提升幅度要求較高，而錨固鋼板法對提高構(gòu)件抗剪能力的幅度有限。因此，該方法對裂縫的開展雖然能起到限制、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，即通過增設(shè)傳力構(gòu)件，改變原構(gòu)件傳力路徑，進(jìn)而保護(hù)原受損構(gòu)件的方法。針對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，改變原橋墩橫梁受力體系，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，并沒有解決結(jié)構(gòu)偏載問題；而且，兩處加固方法對本次構(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)件的偏載問題，使橫梁抗剪承載力得到保證，因此采用該方法對結(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)對墩柱承臺、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)自重及移動荷載組合值來計(jì)算更為保守。橫梁偏載相對承臺、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 承臺驗(yàn)算

承臺驗(yàn)算按照僅考慮新澆中柱作用于承臺且橫梁支反力荷載全部通過中柱向下傳遞工況，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條對承臺的撐桿抗壓、系桿抗拉及沖切進(jìn)行驗(yàn)算，承臺計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表4 承臺計(jì)算結(jié)果匯總表 kN

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，承臺計(jì)算滿足規(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，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→承臺頂新舊砼接合面鑿毛、植筋→千斤頂對主梁卸荷→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；橫梁頂起過程，主橋橋面封閉交通，支座僅承受主梁恒載傳遞下來的豎向力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級加載。

基于頂升設(shè)備在頂升過程中將對上部端橫梁施加向上頂升力，因此，對橫梁強(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37.5m，計(jì)算跨徑21m，采用有限元軟件建立梁單元模型，對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。