雙柱式花瓶墩橫梁剪切破壞加固研究

吳 超

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

雙柱式花瓶墩線形流暢美觀，在城區橋梁建設中經常應用。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八字形裂縫為項目背景，通過個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應力混凝土箱梁，總長240m(4×30m+4×30m)，雙向6車道，設計荷載為城-A級[1]。主橋與引橋交界處下部結構為雙柱式花瓶墩，主橋支座設置于橋墩橫梁上，引橋支座設置在花瓶墩的兩個墩柱上，結構形式如圖1所示，結構計算時橋墩橫梁高度取1.2m。墩柱為C40混凝土，橋墩橫梁頂設置52根32mm、26根25mm二級鋼筋；橫梁底設置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年養護單位對該橋梁例行檢查時，發現主橋、引橋交界處4個花瓶墩橫梁在主橋支座側均出現八字形裂縫，裂縫由橋墩橫梁底向橫梁頂發展，引橋側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 現場裂縫照片

2 裂縫原因分析

裂縫原因分析是加固設計的重難點，從圖1可知橋墩橫梁上面支座位于主橋側1/2寬斷面上，因此應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力值進行對比；抗剪承載力根據國內兩本常用的混凝土結構設計規范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)[2](以下簡稱《公路橋規》)和《混凝土結構設計規范》(GB 50010-2010)[3](以下簡稱《混凝土規范》)進行計算；通過有限元軟件查看裂縫發展趨勢。

圖1 雙柱式花瓶墩構造圖(單位:cm)

2.1 荷載計算

(1) 縱橋向支反力計算

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取1.0，各荷載值匯總如表1所示。

表1 荷載匯總表 kN

(2)剪力值計算

使用Midas Fea軟件構建雙柱式花瓶墩空間實體單元模型(圖5)，采用線性靜力分析，墩底為固結約束。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。經計算，主橋、引橋墊石上均布力分別為6886KPa、1983 KPa。

圖5 雙柱式花瓶墩實體有限元模型

軟件分析運行后，提取靠近主橋側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的1/2寬斷面承載。

2.2 橋墩橫梁抗剪承載力計算

根據《公路橋規》[2]和《混凝土規范》[3]描述，深受彎構件是指計算跨徑l與高度h之比l/h≤5的受彎構件?；ㄆ慷諜M梁為剛構固結體系，計算跨徑取支承中心距離4.8m，橫梁高1.2m，跨高比為4.0，采用深受彎構件對橫梁進行計算。

抗剪能力是決定深受彎構件承載力的關鍵要素，初步分析橋墩橫梁出現斜裂縫破壞，其因是橫梁主橋側受偏載，從而產生剪切破壞?；?，分別采用《公路橋規》[2]及《混凝土規范》[2]中的深受彎抗剪承載力公式驗算橋墩橫梁，計算斷面考慮偏載影響，采用靠近主橋側的1/2寬斷面進行計算，剪力值為5100kN。

(1)《公路橋規》[2]深受彎構件計算

基于雙柱式花瓶墩橫梁與墩柱為剛構結構，參照墩臺蓋梁構件對橋墩橫梁驗算。根據《公路橋規》[2]第8.2.6條，鋼筋混凝土深受彎構件的斜截面抗剪承載力計算公式：

式中右側為抗剪值Vk，各參數含義詳見規范[2]，各參數取值如表2所示。

表2 《公路橋規》[1]深受彎抗剪公式參數取值

驗算得抗剪承載力為3647kN，小于橋墩橫梁的剪力值5100kN。

(2)《混凝土規范》[3]深受彎構件計算

根據《混凝土規范》[3]第G.0.4-2條驗算橋墩橫梁抗剪承載力，深受彎構件抗剪承載力計算公式：

表3 《混凝土規范》[3]深受彎抗剪公式參數取值

驗算得抗剪承載力為3507kN，小于橋墩橫梁的剪力值5100kN。

通過以上兩種規范對抗剪承載力的計算分析可知，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。該計算結果與現場實際情況一致，靠近主橋側橋墩橫梁出現八字形裂縫而引橋側無裂縫。

2.3 裂縫趨勢分析

通過Midas Fea軟件構建總體應變裂縫模型，采用非線性靜力分析。運行分析后，從圖6裂縫模式圖中可知，裂縫由橋墩橫梁底邊緣向上發展，主拉應力流方向基本上與八字形斜裂縫發展方向垂直。從裂縫分布圖中也可看出，橋墩橫梁僅在主橋支座側呈現裂縫，引橋支座側無裂縫，與實際情況相同。

雖然現場未發現橋墩橫梁底部的豎向裂縫，但從圖6裂縫發展趨勢圖中可看出，隨著斜裂縫的出現，梁底也出現豎向裂縫，如果不對橫梁進行有效加固，梁底及八字形裂縫將越來越嚴重，橫梁將產生較大變形甚至出現脆性破壞。

(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八字形裂縫，提高橫梁的抗剪承載力常規的加固方法，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

在受損嚴重或強度降低較多的梁、板、柱等結構構件中經常用到該方法，它既提高了構件的強度也能提高構件的耐久性。該方法是通過增加原結構的截面積，同時在附加的截面積中增設鋼筋，使得構件的抗剪承載力得以增長。但該方法對粘結強度要求非常高，既要保證新增的混凝土不易被剝離，又要能與原構件共同承受剪力，在實際操作中很難實施，而且質量無法得到保障。

(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，以提高鋼板與構件的粘結強度，解決易剝離破壞的問題。該工程橋墩橫梁由偏載產生剪切破壞，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展，在設計使用年限內加固構件質量得不到保證。

(3)改變結構受力體系法

改變結構受力體系法，即通過增設傳力構件，改變原構件傳力路徑，進而保護原受損構件的方法。針對雙柱式花瓶墩的本身結構特點，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，橫梁基本不再傳遞剪力，使得橋墩橫梁的結構安全性及耐久性得到保證。

綜之，上述幾種常規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，治標不治本，僅從提高抗剪承載力的層面考慮，并沒有解決結構偏載問題；而且，兩處加固方法對本次構件加固存在較多的不足，而改變結構受力體系法能夠從根源上解決橋墩橫梁構件的偏載問題，使橫梁抗剪承載力得到保證，因此采用該方法對結構加固。

4 結構加固計算

根據雙柱式花瓶墩的結構特點，可預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，應對墩柱承臺、樁基的承載力進行復核。支座反力按照表1中取上部結構自重及移動荷載組合值來計算更為保守。橫梁偏載相對承臺、樁基影響不大，下部結構復核計算時可不考慮橫梁偏載的影響。

4.1 承臺驗算

承臺驗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《公路橋規》[2]第8.5條對承臺的撐桿抗壓、系桿抗拉及沖切進行驗算，承臺計算結果匯總如表4所示。

表4 承臺計算結果匯總表 kN

根據計算結果可知，承臺計算滿足規范要求。

4.2 復核樁基承載力

樁基受到的全部豎向荷載Nh應小于[Ra]，Nh=F3+0.5qh，式中q為扣除浮力后每延米樁自重，h為樁長，經計算得Nh=13 738kN。

該項目樁基以中風化花崗巖為持力層，frk取值11.17MPa，c1取值0.5,Ap為2.545m2，在不考慮土層側摩阻力僅考慮樁端基巖提供抗力的工況下，經計算，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→中柱砼養護→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，同時豎向主筋植入橋墩橫梁。在對橋墩橫梁底進行鉆孔植筋時，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行卸載。橫梁卸載后，橋墩橫梁變形恢復原狀，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重難點。

頂升時，設備放置在橫向兩個墩柱上，向上頂升主橋端橫梁，兩個花瓶墩千斤頂同步頂升，不得出現高低差；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生縱橋向次內力，上部主梁頂起時僅卸荷90%，即7903kN，嚴禁產生向上位移，支座與梁體不分離。一個橋墩處布置8個頂升設備，每個設備控制頂升力約990kN。施工及養護過程，確保各個相關設備性能良好及供電穩定。頂升設備選用頂升力范圍不小于3倍控制頂升力的設備，頂升力分10級加載。

基于頂升設備在頂升過程中將對上部端橫梁施加向上頂升力，因此，對橫梁強度及應力進行驗算。端橫梁為預應力混凝土構件，總長37.5m，計算跨徑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力進行計算。加固后現場如圖8所示，計算結果匯總如表5所示。

圖8 加固后現場照片

表5 上部端橫梁計算結果匯總表

由表5中數據可知，頂升時，上部結構端橫梁承載力及應力驗算符合規范標準。

6 結論

(1) 偏載會使構件受力不均，應盡量避免出現偏載構件，如不可避免，設計過程其結構抗力應充分考慮偏載影響。

(2) 橋墩橫梁多為深受彎構件以抗剪脆性破壞為主，具有一定的不可預見性，因此支座等豎向傳力構件應盡量避免設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，推薦采用改變結構受力體系方法。該方法不僅從本質上優化了結構受力，而且結構在設計使用年限內質量更容易得到保障。