橋墩蓋梁加固設計與施工探討

劉志剛 黃 鵬

（中信建筑設計研究總院有限公司 武漢 430010）

某橋下部結構以花瓶形柱式墩為主，橋梁基本跨徑30.0 m。橋墩材質C40，墩柱厚1.6 m，下端為等寬段，截面為長圓端型，寬度3.5 m；橋墩上端呈花瓶式變寬，截面為長橢圓端型，墩頂部位變寬至8.0 m；墩頂蓋梁厚2.0 m、高1.5 m。在橋梁運營過程中檢測發現，橋墩部分蓋梁不同程度的存在裂紋。經分析，主要是由于橋梁長期超載后造成蓋梁端部抗彎承載力不足，混凝土拉應力增大，導致裂縫出現。因此，需要對橋墩蓋梁進行加固，以提高蓋梁正截面抗彎能力，減小裂縫寬度，使蓋梁滿足承載能力極限狀態下的強度要求及正常使用極限狀態下的抗裂要求。

橋梁加固方法主要有增大截面法、粘貼鋼板加固法、體外預應力加固法、改變結構體系法等。針對橋墩蓋梁加固，《公路橋梁加固設計規范》（JTG／T J22－2008）建議可采用體外預應力、增大截面、粘貼鋼板或纖維復合材料或鋼板法加固［1］。

1 加固錨固方案選擇

根據橋墩蓋梁結構特點，加固方案選擇體外預應力法。該方法主要是通過張拉體外預應力，利用預加力對結構產生的內力抵消部分恒、活荷載產生的內力，從而改善原結構的內力和變形，提高構件的承載力、抗裂性。該方法把預應力布置在主體結構之外，對原結構損傷較小；加固技術所需設備簡單，施工周期短；對于運營中的橋梁，可以不中斷交通，施工便利。

由于上部反力作用下，蓋梁頂部承受負彎矩，混凝土受拉，預應力必須布置在蓋梁頂部附近以抵消部分負彎矩。根據橋墩特點，預應力束可布置在蓋梁上表面支座兩側或蓋梁側面頂部。為此，對應的鋼結構錨固可采用抗拔方式（以下簡稱方案一，見圖1）和鋼錨梁方式（以下簡稱方案二，見圖2）。

圖1 方案一示意圖

圖2 方案二示意圖

方案一中，鋼構件上端錨固體外預應力鋼絞線，下端通過錨固植筋方式產生抗拔力來平衡預應力。該方案中，選擇合理的植筋直徑和布置后，假定變形符合平截面假定，通過平衡方程可以確定植筋抗拔力。

方案二中，鋼構件設計成錨梁結構，錨梁兩端錨固預應力鋼絞線，通過錨梁自身的抗彎和抗剪能力來承受巨大的預應力，具體構造見圖3。

圖3 方案二錨固示意圖

對比以上2個錨固方案，方案一在實際實施中將存在如下問題：

蓋梁鋼構件密貼面處主筋布置密集，普遍會有施工誤差，將導致植筋鉆孔的孔徑和位置存在較大誤差。

由于這種受力模式下植筋數量眾多，植筋深度過長，對現有結構上破壞較大，鉆孔工作量大，清孔也難以徹底［2］。

以上問題的存在，將造成植筋技術的不當應用，形成安全隱患，應該慎用。

方案二通過鋼錨梁結構的合理設計，由自身承受預應力效應，只需適當固定在蓋梁側面，對原橋墩不造成破壞。通過對比，方案二錨梁錨固方式更為安全、合理。本工程采用方案二的錨固方式。

2 加固方案設計

2.1 鋼錨梁構造

鋼錨梁結構是本次加固傳力的主要部件，通過它將鋼絞線預應力傳遞到混凝土蓋梁上。錨梁結構見圖4，主要由底板、錨腹板、牛腿板、支撐板、蓋板、錨墊板組成。由底板、錨腹板、蓋板組成的箱型結構承受預應力產生的彎矩和剪力。為避免蓋梁側面與錨梁過大的應力集中而導致混凝土破壞，增設牛腿構造以緩解該處應力集中。

圖4 鋼錨梁構造示意圖

2.2 計算分析

鋼材采用Q345B，預應力鋼筋采用φs15.2 mm的鋼鉸線，張拉控制應力取0.65fpk＝1 209 MPa。混凝土計算包括持久狀況承載能力極限狀態計算、持久狀況正常使用極限狀態計算，按A類體外預應力混凝土加固、持久狀況應力計算。錨固鋼結構采用標準組合計算。通過承載能力極限狀態確定鋼絞線為2束12－Φs15.2 mm，正常使用極限狀態和持久狀況應力計算采用土木仿真有限元軟件Midas FEA進行，計算截取1／2橋墩模型進行空間有限元模擬，空間模型見圖5。

圖5 橋墩有限元模型

橋墩采用實體單元模擬，其中蓋梁部分采用六面體單元，墩柱采用四面體單元，鋼錨梁均采用板單元模擬，鋼錨梁與蓋梁密貼部位采用共節點處理，程序自動協調自由度。分別對橋墩底部施加固定邊界、1／2橋墩施加對稱邊界。橋墩反力主要考慮上部恒載反力、超載活載、支座沉降反力，預應力按外荷載施加，并計入預應力損失。

2.3 計算結果

（1）鋼錨梁。錨梁鋼結構需滿足彈性階段構件的強度和穩定性要求。采用容許應力法控制，控制應力［σ］＝196 MPa，剪應力［τ］＝120 MPa。

鋼錨梁計算結果見圖6～圖8。

圖6 鋼錨梁MISES應力云圖（單位：MPa）

圖7 鋼錨梁剪應力應力云圖（單位：MPa）

圖8 鋼錨梁支撐板MISES應力云圖（單位：MPa）

計算結果整理見表1。

表1 鋼錨梁各部分應力匯總表 MPa

由表1可見，鋼錨梁各部位按第三強度理論和第四強度理論進行強度驗算時，各應力均小于控制應力，強度滿足要求；穩定性滿足《鋼結構設計規范》（GB 50017－2003）4.2.4條構造要求，穩定性滿足要求［3］。

（2）混凝土。混凝土計算結果見圖9～圖12。

圖9 作用短期效應橋墩正應力云圖（單位：MPa）

圖10 作用短期效應橋墩0～1.44 MPa主拉應力云圖（單位：MPa）

圖11 持久狀況橋墩正應力云圖（單位：MPa）

圖12 持久狀況橋墩主壓應力云圖（單位：MPa）

從計算結果可知：剔除模型局部失真結果后，正常使用短期效應組合下，混凝土法向拉應力最大值為2.06 MPa，略微大于σst－σpc≤0.75 ftk＝1.8 MPa，剔除鋼、混凝土連接節點失真部位后，混凝土主拉應力均小于σtp≤0.6 ftk＝1.44 MPa；持久狀況下，混凝土法向壓應力最大值12.18 MPa，小于最大法向壓應力σkcp≤0.5 fck＝13.4 MPa，主壓應力最大值14.21 MPa。小于受壓區混凝土最大主壓應力σcp≤0.6 fck＝16.1 MPa。混凝土持久狀況正常使用極限狀態和持久狀況應力基本滿足設計要求。

3 施工工藝

（1）施工工藝流程。粘鋼區域、波紋管外包混凝土接觸部位蓋梁混凝土鑿毛處理→植筋放樣→植筋鉆孔、清孔→植筋→鋼錨梁安裝、注膠粘貼→波紋管安裝及固定→穿索及錨具安裝→鋼絞線張拉→壓漿及錨頭封堵→鋼絞線外包混凝土封閉→鋼錨梁防護。

（2）由于被加固橋墩受力鋼筋位置的施工偏差，鋼板上的植筋孔應在現場配鉆，植筋鉆孔前應用鋼筋探測儀查明已有鋼筋布置，適當微調以避開這些鋼筋后進行鉆孔。配鉆孔禁止采用氣割。

（3）鋼板粘貼面需用鋼絲刷或磨光砂輪機進行除銹和表面處理，打磨出一定粗糙度，打磨紋路與鋼板受力方向垂直。

（4）根據錨固受力特點，鋼絞線張拉必須在蓋梁兩側同步進行，以平衡鋼錨梁受力，避免拔出。

4 結語

通過對橋墩蓋梁加固方法的闡述、方案的比選以確定最優加固方案，分別對加固過程的鋼錨梁和混凝土蓋梁進行各階段受力分析，并對加固施工流程和相關施工注意事項進行了介紹，為類似工程提供借鑒與參考。

［1］ JTG／T J22－2008公路橋梁加固設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［2］ 許學健.混凝土植筋技術的應用［J］.建材技術與應用，2011（2）：27-28.

［3］ GB 50017－2003鋼結構設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2003.