抗傾覆鋼托梁與混凝土橋墩界面螺栓抗剪承載力

陳振侃，葉嘉政，時 權，李培森，陳志榮，姜海波

(1.廣州交通投資集團有限公司營運分公司，廣州 511430；2.廣州廣明高速公路有限公司，廣州 511430；3.廣東工業大學 土木與交通工程學院，廣州 510006)

0 引言

獨柱式混凝土橋墩是國內城市道路使用較多的橋墩形式,具有造型優美、適應地形地物強等優點。在以往的獨柱式橋墩設計中，經常會忽視偏心超載作用對橋梁安全的影響,而我國車輛超限超載現象又屢見不鮮，甚至有的超載高達200%～300%[1]。超載導致橋梁承載超出設計安全荷載之外，其偏心作用可能會使獨柱墩單支點體系橋梁出現傾覆事故,國內已發生過多起獨柱墩橋梁傾覆事故。

目前國內針對獨柱式橋墩抗傾覆能力不足的情況，常用的橋墩加固方式有增設鋼托梁、增設墩柱、墩柱加寬等,其中增設鋼托梁加固法具有便于操作、結構簡單、施工工期短等優勢，得到廣泛應用。增設抗傾覆鋼托梁就是在獨柱墩頂端設置鋼抱箍與原混凝土橋墩結合，再將鋼托梁通過鋼抱箍和獨柱式混凝土橋墩連接成整體的方式進行受力，從而達到增強抗傾覆性能的目的。鋼托梁通過后錨式螺栓與橋墩連接，可以抵抗傾覆扭矩，將鋼和混凝土兩種材料可靠地結合在一起，是鋼—混凝土結構中最為重要的核心。國內外許多學者如杜浩[5]、劉中良[6]、蘇軍[7]、楊飛[8]、Gun up Kown[9-11]、Marko Pavlovi[12]、Y.T.Chen[13]等對由螺栓連接的剪力連接件抗剪性能進行了研究，探究了螺栓類型、鋼材屈強比、螺栓直徑、螺栓預緊力、鋼-混凝土界面性能、埋置長細比等試驗參數對其抗剪性能的影響。然而對新增鋼托梁與舊混凝土橋墩的螺栓連接研究較少。

1 工程概況

獨柱墩抗傾覆穩定性問題已引起廣東省交通部門的高度重視。新化快速路多處橋梁采用獨柱墩形式，在較大偏載的作用下，獨柱墩橋梁可能發生整體傾覆。按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)[14]計算，長洲立交B匝道橋第二聯橋梁的抗傾覆穩定系數為1.8，小于規范2.5的要求，因此，根據結構受力特點，結合現行規范對抗傾覆防控措施的指導意見，提出長洲立交B匝道橋1#墩采用鋼托梁并在兩側增設輔助支座的加固方案。

如圖1和圖2所示,本方案需在橋墩上增設輔助支座，由于原橋墩墩頂不具備設置新增支座的條件，故需要對原橋墩墩頂進行改造，即在墩頂增設鋼托梁。增設鋼托梁不僅受力能滿足要求，而且施工工藝成熟、重量輕、工期較短。對1#單支座獨柱墩增設兩個輔助支座，新增板式橡膠支座間距為1.0m+1.0m；支座反力通過增設鋼托梁傳遞至墩柱及樁基。增設輔助支座后，基本組合下原支座不出現負反力，支座均處于受壓狀態，橋梁抗傾覆穩定系數為5.67，大于規范要求的2.5。增設支座后橋墩壓彎強度富裕度為153.3%，橋墩承載力滿足要求，本聯箱梁經加固處理后抗傾覆穩定性滿足規范要求。采用鋼托梁并增設輔助支座后，能確保在基本組合下原支座不發生脫空，特征狀態1滿足要求，故本獨柱墩加固方案可滿足規范要求。

圖1 加固設計立面(單位：cm)

圖2 加固設計側面(單位：cm)

2 鋼抱箍界面抗剪試驗

本加固工程中鋼托梁通過鋼抱箍與獨柱式混凝土墩相連接，鋼抱箍與獨柱式混凝土橋墩之間的界面螺栓抗剪性能，是抗傾覆加固設計能否成功的關鍵。本試驗目的是分析不同混凝土表面處理方式、植筋方法和植筋布置等對界面抗剪能力的影響。

鋼抱箍的工作原理是橋面上的豎直外荷載作用于鋼抱箍的雙牛腿上，而由螺栓連接的鋼抱箍與混凝土橋墩界面在外荷載作用下產生抵抗剪切的豎向摩阻力，剛好與豎直的外荷載平衡，因此研究由螺栓連接鋼抱箍與混凝土界面抗剪承載能力十分必要。推出試驗能夠直觀地反映抗剪連接件在靜荷載作用下鋼-混凝土界面的抗剪承載力，故本試驗通過推出試驗分析鋼抱箍與混凝土橋墩的界面抗剪承載能力。

試驗共設計了4個試件，包括1個4根螺栓連接的、鋼-混凝土界面只做鑿毛處(C40-S400-N-4)的試件，1個4根螺栓連接的、鋼-混凝土界面做刷膠(環氧樹脂)處理(C40-S400-E-4)的試件，1個4根螺栓連接的、鋼-混凝土界面做灌漿(蘇博特Ⅱ號)處理(C40-S400-M-4)的試件和1個8根螺栓連接的、鋼-混凝土界面做灌漿(蘇博特Ⅱ號)處理(C40-S400-M-8)的試件。

試驗采用 C40 普通混凝土，其28d立方體抗壓強度實測值為42MPa。鋼板采用 Q235，界面刷膠采用天津卡本粘鋼膠(環氧樹脂)，灌漿料采用江蘇蘇博特Ⅱ號灌漿料(環氧砂漿)。混凝土中僅有構造鋼筋，鋼筋采用HRB400E。螺栓采用M20高強螺桿，試驗參數包括：界面處理方式、螺栓的數量。具體的構造與參數見表1～表3及圖3所示。

表3 螺栓強度與混凝土強度(單位：MPa)

圖3 試件構造

表1 試件參數

表2 C40混凝土配合比(單位：kg/m3)

對試驗進行試驗現象、極限承載力、荷載-位移曲線等分析, 如圖4和圖5所示。可以得出以下結論：觀察力-位移曲線，可判斷試件的工作過程。第一階段是彈性階段，在此階段，試件變形較小，所有試件增長曲線斜率基本接近，預加載時荷載不能超過彈性極限。第二階段是裂縫穩定擴展階段，此時除了產生彈性變形外，還產生部分塑性變形，彈性模量降低。此時，內部混凝土開始出現裂縫，變形開始增大。第三階段是裂縫不穩定擴展階段，此階段中，變形較大，裂縫快速發展，直到達到峰值荷載。而C40-S400-E-4在加載過程中，其中一根螺栓附近區域有環氧樹脂脫落，故在荷載達到800kN時,發生了相比于其他三根螺栓的較大的豎向位移，所以其荷載位移曲線出現了水平段。

圖4 荷載-豎向位移曲線

圖5 承載力對比

本試驗結構對鋼-混凝土界面抗剪強度有大幅度的提高。C40-S400-N-4作為核心對照組,其界面只做鑿毛處理,它的極限承載力達到了1 003.85kN；C40-S400-E-4采用鋼-混凝土界面刷上天津卡本粘鋼膠(環氧樹脂)的方法,其極限承載力為1 482.86kN；C40-S400-M-4采用鋼-混凝土界面灌注蘇博特灌漿料的方法，其極限承載力為1 440.14kN。與核心對照組相比，C40-S400-E-4和C40-S400-M-4的極限承載能力均提高了145%左右。但采用鋼-混凝土界面刷環氧樹脂的方法，其膠層厚度難以準確控制，且沒有較好的延性，破壞過于突然，不利于工程應用。而蘇博特灌漿料具有較好的流動性，能對鋼-混界面進行較為均勻的填充，使其在荷載作用下，力能夠更加均勻地傳遞，避免出現集中受力的影響。在群釘的作用下，顯然試件的承載力得到明顯的提高，C40-S400-M-8的極限承載力達到了2 654.54kN，與C40-S400-M-4相比,可以看出其承載力并不是隨螺栓的數量成倍增長的，而是有一個明顯的折減。

通過上述分析可得出，在本試驗中，雖然由于鋼-混凝土界面刷膠處理的試件界面突然破壞而發生脆性破壞，但各個試件基本已達到預估的極限承載力。本次試驗結果可以為本工程設計提供技術支撐。

3 試驗值與規范值的對比

栓釘連接件為鋼-混凝土組合結構中比較常用的剪力連接件，目前歐洲EC4[15]規范、美國AASHTO-LFRD[16]規范、中國GB50017-20017規范[17]和日本JSCE[18]給出了栓釘連接件承載力的設計計算公式。本文通過借鑒歐洲EC4[15]規范、美國AASHTO-LFRD[16]規范、中國GB50017-20017規范[17]和日本JSCE[18]栓釘連接件抗剪承載力的研究方法，同時參考Kwon[9]和Liu[19]給出的高強螺栓連接件抗剪承載力計算公式，各規范和文獻推薦公式及參數說明見表4。

表4 剪力連接件抗剪承載力的計算公式

表5將高強螺栓抗剪承載力的試驗結果與利用各國規范及相關文獻中推薦的抗剪承載力的計算公式的計算結果進行比較，其中，PEC-4、PA、PG、PJ分別表示按照歐洲規范(EC4)、美國規范(AASHTO-LFRD)、中國規范、日本規范中連接件抗剪承載力計算公式計算的高強螺栓連接件的抗剪承載力，PK、PL為參考 Kwon和Liu文獻中的推薦公式計算的高強螺栓連接件的抗剪承載力，PT為高強螺栓連接件抗剪承載力的試驗值。由表5可見，由美國規范(AASHTO-LFRD)中剪力連接件抗剪承載力計算公式計算出的高強螺栓連接件的抗剪承載力偏高，試驗值與其的比值為1.05，采用美國規范進行設計安全儲備較小。而由歐洲規范、日本規范和Kwon提出的公式計算出的高強螺栓連接件的抗剪承載力是偏保守的，其中歐洲規范最為保守，試驗值與其的比值為1.78。本文建議采用歐洲規范進行螺栓承載力驗算。

表5 各公式計算的抗剪承載力

(續表5)

4 鋼托梁螺栓承載力驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)[14]，在作用基本組合下，考慮汽車荷載效應，分項系數為1.4時和廣東省高速公路獨柱墩連續箱梁橋橫向抗傾覆驗算指導意見(補充)通知的要求，考慮汽車超載工況，在作用基本組合下，汽車荷載效應分項系數為3.4時，對1#獨柱中墩增設輔助支座后的長洲立交B匝道橋進行橫向抗傾覆驗算，增設的鋼托梁單側所受最大外荷載P=1 780kN。

錨固螺栓采用公稱直徑為20mm的螺栓，鋼托梁共布置144個螺栓，鋼托梁側面36個螺栓驗算外荷載剪力作用下螺栓承載能力，立面36個螺栓驗算彎矩作用下螺栓承載能力，忽略兩邊受力的相互影響，在進行驗算時，驗算結果會偏于安全。側面螺栓抗剪驗算采用歐洲規范公式]計算，計算簡圖如圖6所示。

圖6 螺栓受剪切作用計算簡圖(單位：cm)

式中:Pu—栓釘的抗剪承載力；

d—栓釘有效直徑；

α— 縱橫比因子,本文取1；

γv—安全系數，取1.25；

Ec—混凝土的彈性模量。

nPU=36×180.19=6 486.84kN>1 780kN

因為增設鋼托梁加固后新增了兩個支座，當一側支座承受較大外荷載時，會對鋼托梁產生較大的彎矩，因此必須對鋼托梁進行彎矩驗算。鋼抱箍立面螺栓距離外荷載較遠，僅考慮鋼抱箍立面螺栓彎矩作用，結果偏安全。計算簡圖如圖7所示，最頂端外側螺栓距離螺栓群重心最遠，因此該螺栓受力最不利，那么有：y1=800mm，x1=150mm。

圖7 螺栓受彎矩作用計算簡圖(單位：cm)

由《路橋施工技術手冊》[19]相關公式：

=137.98kN

=25.87kN

=157.19kN

式中:

xi、yi—任一個螺栓至螺栓群中心水平和垂直距離；

RMX—螺栓在水平方向的受力；

RMy—螺栓在豎直方向的受力；

RQ—外荷載分到每根螺栓上的力；

Rmax—螺栓承受的最大剪力。

螺栓抗剪驗算滿足要求，鋼抱箍與橋墩采用螺栓連接，鋼箍與橋墩接觸面之間設置了新的填充層，填充層界面的粘結力和摩阻力能夠抵抗部分剪力，提高了安全性。在不考慮側面螺栓的作用下，螺栓強度也滿足彎矩作用下的強度要求。

5 結論

(1)經驗算，增設鋼托梁加固獨柱式混凝土橋墩的方法在采用鋼托梁并增設輔助支座后，能確保在基本組合下原支座不發生脫空，抗傾覆穩定系數為5.67，遠大于規范值2.5，故新增鋼托梁在特征狀態1和特征狀態2均能滿足規范要求。本獨柱墩加固方案可滿足承載力和抗傾覆穩定性的規范要求。

(2)由4個螺栓連接件抗剪性能推出試驗可知，界面粘結能夠大幅度提高鋼-混凝土界面抗剪承載力，而且其承載力在群釘效應的作用下，并不能隨螺栓數量的增加而成倍增加，而是有一個相應的折減 。但是由于在鋼-混凝土界面刷環氧樹脂增強界面粘結的方法，其膠層厚度難以涂抹均勻，會出現局部剝落的現象，降低試件承載能力。通過分析，建議鋼-混凝土界面采用灌注高強砂漿處理。鋼抱箍界面抗剪試驗可以直觀地反映界面處理、螺栓布置對試件極限抗剪承載力的影響，為工程設計提供技術支撐。

(3)通過各國栓釘連接件抗剪承載力計算規范和Kwon及Liu提出的高強螺栓連接件抗剪承載力計算公式與試驗值的對比，美國規范計算所得的螺栓抗剪承載力偏高，安全儲備較小，歐洲規范、日本規范和Kwon提出的公式計算出的高強螺栓連接件的抗剪承載力是偏保守的，其中歐洲規范最為保守。建議采用歐洲規范給出的剪力連接件抗剪承載力計算公式作為螺栓連接件的抗剪承載力驗算。

(4)采用歐洲規范栓釘承載力計算公式進行螺栓承載力驗算，鋼托梁側面均勻分布的36根螺栓的抗剪承載力達到6 486.84kN，大于鋼托梁單側所承受的最大外荷載，而且鋼箍與橋墩接觸面之間設了新的填充層，填充層界面的粘結力和摩阻力能夠抵抗部分剪力，滿足抗剪強度要求。外荷載產生的彎矩作用，對鋼托梁側面最不利位置的螺栓強度要求為157.19kN，低于螺栓的承載能力180.19kN，滿足彎矩作用下的強度要求。