某連續(xù)T 梁橋橋墩病害分析及維修加固設(shè)計

馬宇平

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507）

1 工程概況

某大橋橋跨布置為4×30m 連續(xù)T 梁橋，為軟土路基改橋的其中一段。過渡墩墩號為125#、129#；連續(xù)墩墩號為126#～128#。經(jīng)查閱資料，126#墩設(shè)有固定支座，127#、128#墩設(shè)有單向支座。其中，126#墩樁基礎(chǔ)在2011年8 月進行了加固，樁基加固形式為在原樁基順橋向兩側(cè)各增加一根直徑D120cm 樁基（按嵌巖樁設(shè)計），樁頂設(shè)置整體式承臺與原結(jié)構(gòu)連成整體，承臺高度為250cm，內(nèi)設(shè)“井”字形預應力精軋螺紋鋼。加固后，墩柱實際高度由6.4m 變?yōu)?.2m。

橋梁第二、三孔處于河中，即127#墩、128#墩為水中墩，在126#、127#墩之間設(shè)有堤岸平臺。

經(jīng)檢測，發(fā)現(xiàn)該聯(lián)橋梁左、右幅126#墩大樁號側(cè)承臺頂附近位置均出現(xiàn)了多條較明顯的裂縫（最大裂縫寬度可達1.6mm），小樁號側(cè)墩柱混凝土有壓彎破損現(xiàn)象，其余墩柱均未發(fā)現(xiàn)類似情況。裂縫寬度已超出規(guī)范要求（I、II類環(huán)境鋼筋混凝土構(gòu)件最大裂縫寬度不應超過0.2mm），說明原墩柱配筋已不滿足現(xiàn)狀受力要求。裂縫為加固后近期檢測發(fā)現(xiàn)，考慮原結(jié)構(gòu)施工至今約10年時間，可認為結(jié)構(gòu)收縮徐變已完成，在相關(guān)計算中不考慮收縮徐變的影響。

經(jīng)查閱相關(guān)資料，本墩柱縱向主筋為28 根φ20mm HRB335 鋼筋，沿圓周均勻布置。病害情況見圖1、圖2。

圖1 R126-1#墩深側(cè)面裂縫

圖2 L126-1#墩深側(cè)面裂縫

2 病害分析

本聯(lián)橋梁結(jié)構(gòu)形式較為簡單，橋墩采用連續(xù)支承體系。導致墩柱底部產(chǎn)生裂縫的原因可能有以下幾個方面：施工初始缺陷、汽車制動力的影響、體系溫差的影響、基礎(chǔ)土壓力的影響、現(xiàn)狀墩柱偏心的影響。

2.1 施工初始缺陷

下構(gòu)施工完成后，樁柱并未完全豎直或未處于同一豎直線上，待上構(gòu)施工完成在運營狀態(tài)下，自重及活載產(chǎn)生的豎向力由于偏心的影響產(chǎn)生彎矩，最大彎矩出現(xiàn)點可能在樁柱交界點附近，甚至可能已產(chǎn)生了裂縫。由于樁基埋在土層以下，無法對此進行檢測判斷，但無法排除該因素的影響。

2.2 汽車制動力的影響

運營過程中汽車產(chǎn)生的制動力為水平力，作用在橋面以上。通過力的傳播可對樁柱產(chǎn)生彎矩，而彎矩最大點可能位于墩柱底附近。彎矩的產(chǎn)生不受下構(gòu)加固的影響。左、右幅汽車制動力作用方向相反，各自產(chǎn)生彎矩的方向因此相反。但從檢測結(jié)果可知，左右幅橋墩裂縫均出現(xiàn)在同側(cè)，可以排除制動力對裂縫產(chǎn)生的影響。

2.3 體系溫差的影響

橋梁施工完成后受每年氣溫升降的影響，上部結(jié)構(gòu)因而熱脹冷縮。本橋在126#墩頂設(shè)有固定支座，其余橋墩縱向均未約束，因此理論上體系溫差并不能對126#橋墩產(chǎn)生彎矩作用。但存在一種普遍的現(xiàn)象：伸縮縫存在泥沙堵塞、橡膠止水帶局部破損現(xiàn)象，不能自由伸縮變形；其余墩柱支座本身由于長期暴露在大氣中有所損耗，性能弱化，產(chǎn)生較大的縱向摩阻力，在一定程度上阻止了支座的縱向變形。對于這些現(xiàn)象，若發(fā)生在大樁號側(cè)，當體系升溫時126#墩柱承臺頂位置將產(chǎn)生較大的彎矩。

2.4 基礎(chǔ)土壓力影響

127#墩、128#墩處于水中，在126#、127#墩之間設(shè)有堤岸。查閱資料，126#橋墩基礎(chǔ)加固后承臺頂標高為7.0m，而且該位置往小樁號側(cè)有大范圍的較為平整的人工填土，填土標高約7.0m。據(jù)觀測，岸邊平臺標高約5.5m。河床底標高約-1.0m。受填土及堤岸高差的影響，可能對下構(gòu)基礎(chǔ)產(chǎn)生朝向河邊的側(cè)土壓力，從而對樁基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的影響[1-2]。

通過建模計算，考慮2.5m 人工素填土、5.5m 雜填土的土層差，據(jù)此計算墩柱基礎(chǔ)側(cè)面承受的土壓力。經(jīng)計算，填土對下構(gòu)基礎(chǔ)產(chǎn)生的土壓力合力為609kN，朝向河邊，作用點距離承臺頂往下約5.3m。

土壓力計算參數(shù)分別如下所示：素填土土容重γ=19kN/m3，土粘聚力c=16kPa，土內(nèi)摩擦角φ=19°；雜填土土容重γ=19kN/m3，土粘聚力c=15kPa，土內(nèi)摩擦角φ=20°。

如2.3 節(jié)所述，本橋在126#墩頂設(shè)有固定支座，其余橋墩縱向均未約束，理論情況下土壓力并不能對樁頂以上承臺和墩柱產(chǎn)生作用[3]。但假如上構(gòu)縱向變形受限，此時土壓力將會產(chǎn)生不利影響。

2.5 現(xiàn)狀墩柱偏心的影響

根據(jù)檢測報告，126#墩墩頂小樁號方向有一定的偏心，約3cm。由計算模型可知，結(jié)構(gòu)自重下墩頂豎向反力約4000kN，在承臺頂位置處產(chǎn)生彎矩約120kN·m，對墩柱影響較小。

2.6 影響因素總結(jié)

綜上所述，對橋墩產(chǎn)生裂縫的可分析的因素中，首先可以排除汽車制動力的影響，其次施工初始缺陷和墩柱偏心的影響對裂縫的產(chǎn)生有一定的影響，但受條件所限，影響大小未能準確地評估。

假如上構(gòu)縱向變形無約束，鑒于結(jié)構(gòu)體系的特點，體系升降溫和土壓力并不能對墩柱產(chǎn)生影響。但如果上構(gòu)縱向變形由于伸縮縫的堵塞或支座變形受限的原因受約束，體系升降溫和土壓力將對墩柱產(chǎn)生影響，產(chǎn)生的彎矩最大點位于承臺頂處。

目前墩柱已發(fā)現(xiàn)裂縫，綜合比較各因素，上構(gòu)縱向變形受限條件下，體系升降溫和土壓力影響開裂的可能性較大。

3 仿真分析

3.1 邊界條件模擬

采用有限元軟件Midas 進行建模計算，126#墩設(shè)有固定支座，127#、128#墩設(shè)有單向支座，由于伸縮縫存在泥沙堵塞、橡膠止水帶局部破損現(xiàn)象，不能自由伸縮變形；且支座本身由于長期暴露在大氣中有所損耗，性能弱化，產(chǎn)生較大的縱向摩阻力，在一定程度上阻止了支座的縱向變形，從而假定在129#增加X 方向約束。126#墩柱頂端與主梁采用剛臂連接，固定支座采用彈性連接模擬（SDx、SDy、SDz=108kN/m），樁側(cè)土摩阻力采用土彈簧進行模擬，樁底采用固定支座，129#墩采用一般支撐（約束橋梁縱向、橫向和豎向變形），其余墩處采用一般支撐（約束橋梁橫向和豎向變形，縱向可自由變形）。空間有限元模型及邊界條件模擬如圖3 和圖4 所示。

圖3 空間有限元模型

圖4 邊界條件模擬

3.2 設(shè)計荷載

設(shè)計荷載：（1）恒載：結(jié)構(gòu)自重、整體化層、調(diào)平層等；（2）汽車活載：按單向3 車道加載，并考慮沖擊力的影響；（3）汽車制動力：按單向3 車道考慮；（4）溫差效應：整體升溫20℃；（5）土壓力。

3.3 計算結(jié)果

工況一：整體升溫20°。在整體升溫20°工況下承臺頂以上墩柱彎矩約3074kN·m，對裂縫產(chǎn)生有較大的影響。

工況二：土壓力。在土壓力工況下承臺頂以上墩柱彎矩約1084kN·m，對裂縫產(chǎn)生有較大的影響。

從midas 讀取組合后的彎矩、剪力內(nèi)力值，M=6121.9kN·m，N=6924kN，經(jīng)查閱相關(guān)資料，本墩柱縱向主筋為28 根φ20mmHRB335 鋼筋，沿圓周均勻布置。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362-2018）計算得知原墩柱彎壓承載能力、抗裂均不滿足要求[4]。

4 加固設(shè)計

基于上述墩柱病害原因分析和墩柱計算結(jié)果，針對126 號墩柱傾斜以及底部產(chǎn)生裂縫的病害，經(jīng)綜合分析提出以下加固設(shè)計思路：（1）清理伸縮縫處泥沙，更換橡膠止水帶，恢復伸縮縫自由變形功能；（2）更換耗損支座，使支座發(fā)揮縱向變形功能；（3）墩柱包大，加強配筋（裂縫出現(xiàn)在墩柱與承臺交接處，粘貼鋼板施工難度大，效果差，且粘貼鋼板僅適應于承載能力相差不大的情況，故對本橋采取增大截面加固的方案[5]）。

通過恢復伸縮縫和支座變形功能，從而減小整體升溫和土壓力的影響。通過增大原墩柱截面、增加受力鋼筋，以提高柱墩的承載能力和抗裂性能。原墩柱直接為D130cm，外包25cm 厚混凝土后墩柱直接為D180，配置30 根φ28mm HRB400 鋼筋后，抗彎承載力為9371kN，裂縫寬度為0.11mm，墩柱彎壓承載能力、抗裂均滿足《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文得出以下幾點結(jié)論：

（1）當連續(xù)梁橋墩柱出現(xiàn)裂縫時，首先需判斷伸縮縫、支座是否正常工作。

（2）對于連續(xù)梁橋，理論上體系溫差并不能對橋墩產(chǎn)生彎矩作用。但當伸縮縫、支座不能正常變形時，將對墩柱產(chǎn)生較大的彎矩。

（3）當主梁縱向變形受到約束時，受河流水位變化影響，可能產(chǎn)生朝向河邊的側(cè)土壓力，從而河邊側(cè)可能出現(xiàn)受力裂縫。

（4）對于墩柱壓彎承載力和抗裂能力不足時，最有效的加固方式為增大墩柱截面、增加受力鋼筋。