基于彎矩曲率分析的橋墩加固設計

游科華

（南昌市城市規劃設計研究總院，南昌 330000）

1 引言

隨著經濟的發展和交通量的增大，載重等級也發生了變化。早期橋梁設計其指導思想注重于材料的節省，安全富裕度較低，加之部分舊橋老化、受損，已無法適應現在交通運輸的要求【1】。通過加固橋梁，可以延長橋梁的使用壽命，以少量的資金投入，使橋梁滿足交通量的需求。橋墩作為整個橋梁受力體系中十分重要的一環，一旦發生破壞，會引起橋梁整體或者局部的垮塌。目前，我國在橋墩加固和修復上已擁有多種類別的技術，在實際應用中可結合橋墩實際情況進行選擇【2，3】。

本文以某高速公路上一個獨柱式橋墩為例，驗算了在現行規范荷載作用下其極限狀態承載能力，提出了外包混凝土及外包鋼板2 種加固方案。通過對加固后截面的彎矩曲率分析，計算了橋墩加固后的承載能力，并就2 種加固方案進行了綜合比選。

2 工程概況

新津河大橋是某高速公路上一座跨河及跨路的大橋，橋梁全長917.24m，全橋共34 跨，橋面凈寬2×11.25m，設中央分隔帶，水泥混凝土橋面鋪裝。其中，第13～18 跨上部結構采用預應力混凝土簡支T 梁，單跨跨徑23m。單幅每跨由5 榀T 梁組成，橋面連續，6 跨1 聯。其中，第16 孔跨越地方路，橋梁與地方道路交角為53.7°。本文研究對象為15#、16#墩，橋墩形式為獨柱式墩，蓋梁斜橋正做，蓋梁中心線正交于橋梁設計線，與下穿道路斜交，蓋梁結構形式采用大挑臂的預應力倒T 型蓋梁。橋墩采用直徑150cm 圓形截面，墩高約7.5m，橋墩基礎采用2 根直徑150cm 的樁基，承臺高2m，順著地方路行車方向埋置，如圖1 所示。

圖1 橋梁現場照片

3 計算模型及驗算

結構計算利用Midas Civil 進行。按圖紙建立橋墩計算模型，如圖2 所示。

圖2 計算模型

樁基按照等效嵌固理論，取3 倍樁基直徑進行嵌固，近似模擬樁土作用【4】。計算中主要考慮恒載及汽車活載。本工程橋梁設計荷載為汽車-超20 級，掛車-120，考慮目前橋梁設計荷載較老規范有所增大，建模時活載按照現行JTG D60—2015《公路橋梁設計通用規范》中公路-Ⅰ級取值，考慮3 個設計車道，計入車道橫向、縱向折減系數和沖擊系數【5】。將恒載及活載下的最不利支座反力分別施加于蓋梁支座位置。

按照JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》相關規定對橋墩進行壓彎承載能力驗算【6】。具體驗算如表1 所示，由此可知其承載能力無法滿足規范要求。

表1 橋墩壓彎承載能力驗算

4 墩柱加固方案及計算

為使橋墩能夠滿足極限狀態下承載能力的要求，本文提出了外包混凝土及外包鋼板并填充膨脹混凝土2 種加固方式。通過建立加固后的橋墩纖維截面進行彎曲曲率分析，評估加固后橋墩的極限承載能力以驗證加固的效果。

4.1 方案一：外包混凝土增大截面

通過外包混凝土增大截面，提高橋墩的承載能力。外包混凝土厚度25cm，將原直徑150cm 墩柱加大為直徑200cm 墩柱，外包墩柱采用58 根φ25mm的主筋。加固一般構造圖如圖3 所示。

圖3 外包混凝土墩柱加固方案圖

建立橋墩截面的纖維模型對其承載能力進行驗算，其中材料強度取設計強度，材料本構如圖4、圖5 所示。加固后墩柱的纖維截面劃分如圖6 所示。

圖4 混凝土本構關系

圖5 鋼筋本構關系

圖6 方案一加固后截面纖維劃分

考慮到外包混凝土不承擔恒載，對截面進行彎矩曲率分析時偏保守地取截面初始軸力為活載軸力（考慮結構重要性系數后活載軸力P=3 811kN），此時截面彎矩曲率如圖7 所示。由圖可知，截面的極限承載能力將近14 000kN·m，在達到極限承載能力之前截面仍基本保持彈性，剛度沒有明顯的退化。而橋墩基本組合下的最不利彎矩為9 241kN·m，故可認為本加固方案能夠滿足橋墩抗傾覆的要求。

圖7 橋墩截面的彎矩曲率分析

4.2 方案二：外包鋼板增大截面

通過外包鋼板增大截面，提高橋墩的承載能力。外包鋼板壁厚20mm，鋼板與墩柱間留有8cm 間距以填充膨脹混凝土。外包鋼板制作成2 個半圓形結構，然后在現場進行焊接，其與承臺頂及蓋梁底通過法蘭盤連接。具體構造圖如圖8 所示。

通過建立橋墩截面的纖維劃分模型對其承載能力進行驗算，其中混凝土及鋼筋材料強度取設計強度，其本構與方案一相同，鋼板材料強度取設計值，其本構如圖9 所示。考慮到鋼板與原橋墩之間的混凝土僅為填充作用，計算不考慮填充混凝土的作用，加固后墩柱的纖維截面劃分如圖10 所示。

圖8 外包鋼板加固方案

圖9 鋼材材料本構關系

圖10 方案二加固后截面纖維劃分

考慮到外包的鋼板不承擔恒載，對截面進行彎矩曲率分析時偏保守地取截面初始軸力為活載軸力（考慮結構重要性系數后活載軸力P=3 811kN），此時截面彎矩曲率如圖11 所示。由圖可知，截面的極限承載能力將近27 000kN·m，在達到極限承載能力之前截面仍基本保持彈性，剛度沒有明顯的退化。而橋墩基本組合下的最不利彎矩為9 241kN·m，故可認為本加固方案能夠滿足橋墩抗傾覆的要求。

圖11 橋墩截面的彎矩曲率分析

5 墩柱加固方案比選

結合施工難度、方案可靠性、經濟性以及后期養護成本，對上述2 種方案進行綜合比選，比選內容如表2 所示。最終以加固造價及養護成本作為首要考慮因素，推薦采用外包混凝土增大截面的加固方式。

表2 加固方案比選

6 結語

本文對某高速公路上一個獨柱式橋墩進行了極限狀態承載能力的驗算，并對其進行了加固設計，得出以下結論：

1）按照現行規范對橋墩進行極限狀態承載能力驗算，橋墩壓彎承載能力富余不足，存在倒塌風險，需進行橋墩加固。

2）通過對加固后的橋墩截面進行彎矩曲率分析，能夠較好地反映加固后橋墩的受力特性，可為加固后的橋墩承載能力評估提供參考。

3）通過對橋墩外包混凝土或外包鋼板并填充膨脹混凝土的方式均可以提高橋墩極限狀態下的承載能力，本工程綜合加固施工難度、方案可靠性、經濟性以及后期養護成本，推薦采用外包混凝土的加固方式。