桥墩盖梁加固设计与施工探讨

刘志刚 黄 鹏

（中信建筑设计研究总院有限公司 武汉 430010）

某桥下部结构以花瓶形柱式墩为主，桥梁基本跨径30.0 m。桥墩材质C40，墩柱厚1.6 m，下端为等宽段，截面为长圆端型，宽度3.5 m；桥墩上端呈花瓶式变宽，截面为长椭圆端型，墩顶部位变宽至8.0 m；墩顶盖梁厚2.0 m、高1.5 m。在桥梁运营过程中检测发现，桥墩部分盖梁不同程度的存在裂纹。经分析，主要是由于桥梁长期超载后造成盖梁端部抗弯承载力不足，混凝土拉应力增大，导致裂缝出现。因此，需要对桥墩盖梁进行加固，以提高盖梁正截面抗弯能力，减小裂缝宽度，使盖梁满足承载能力极限状态下的强度要求及正常使用极限状态下的抗裂要求。

桥梁加固方法主要有增大截面法、粘贴钢板加固法、体外预应力加固法、改变结构体系法等。针对桥墩盖梁加固，《公路桥梁加固设计规范》（JTG／T J22－2008）建议可采用体外预应力、增大截面、粘贴钢板或纤维复合材料或钢板法加固［1］。

1 加固锚固方案选择

根据桥墩盖梁结构特点，加固方案选择体外预应力法。该方法主要是通过张拉体外预应力，利用预加力对结构产生的内力抵消部分恒、活荷载产生的内力，从而改善原结构的内力和变形，提高构件的承载力、抗裂性。该方法把预应力布置在主体结构之外，对原结构损伤较小；加固技术所需设备简单，施工周期短；对于运营中的桥梁，可以不中断交通，施工便利。

由于上部反力作用下，盖梁顶部承受负弯矩，混凝土受拉，预应力必须布置在盖梁顶部附近以抵消部分负弯矩。根据桥墩特点，预应力束可布置在盖梁上表面支座两侧或盖梁侧面顶部。为此，对应的钢结构锚固可采用抗拔方式（以下简称方案一，见图1）和钢锚梁方式（以下简称方案二，见图2）。

图1 方案一示意图

图2 方案二示意图

方案一中，钢构件上端锚固体外预应力钢绞线，下端通过锚固植筋方式产生抗拔力来平衡预应力。该方案中，选择合理的植筋直径和布置后，假定变形符合平截面假定，通过平衡方程可以确定植筋抗拔力。

方案二中，钢构件设计成锚梁结构，锚梁两端锚固预应力钢绞线，通过锚梁自身的抗弯和抗剪能力来承受巨大的预应力，具体构造见图3。

图3 方案二锚固示意图

对比以上2个锚固方案，方案一在实际实施中将存在如下问题：

盖梁钢构件密贴面处主筋布置密集，普遍会有施工误差，将导致植筋钻孔的孔径和位置存在较大误差。

由于这种受力模式下植筋数量众多，植筋深度过长，对现有结构上破坏较大，钻孔工作量大，清孔也难以彻底［2］。

以上问题的存在，将造成植筋技术的不当应用，形成安全隐患，应该慎用。

方案二通过钢锚梁结构的合理设计，由自身承受预应力效应，只需适当固定在盖梁侧面，对原桥墩不造成破坏。通过对比，方案二锚梁锚固方式更为安全、合理。本工程采用方案二的锚固方式。

2 加固方案设计

2.1 钢锚梁构造

钢锚梁结构是本次加固传力的主要部件，通过它将钢绞线预应力传递到混凝土盖梁上。锚梁结构见图4，主要由底板、锚腹板、牛腿板、支撑板、盖板、锚垫板组成。由底板、锚腹板、盖板组成的箱型结构承受预应力产生的弯矩和剪力。为避免盖梁侧面与锚梁过大的应力集中而导致混凝土破坏，增设牛腿构造以缓解该处应力集中。

图4 钢锚梁构造示意图

2.2 计算分析

钢材采用Q345B，预应力钢筋采用φs15.2 mm的钢铰线，张拉控制应力取0.65fpk＝1 209 MPa。混凝土计算包括持久状况承载能力极限状态计算、持久状况正常使用极限状态计算，按A类体外预应力混凝土加固、持久状况应力计算。锚固钢结构采用标准组合计算。通过承载能力极限状态确定钢绞线为2束12－Φs15.2 mm，正常使用极限状态和持久状况应力计算采用土木仿真有限元软件Midas FEA进行，计算截取1／2桥墩模型进行空间有限元模拟，空间模型见图5。

图5 桥墩有限元模型

桥墩采用实体单元模拟，其中盖梁部分采用六面体单元，墩柱采用四面体单元，钢锚梁均采用板单元模拟，钢锚梁与盖梁密贴部位采用共节点处理，程序自动协调自由度。分别对桥墩底部施加固定边界、1／2桥墩施加对称边界。桥墩反力主要考虑上部恒载反力、超载活载、支座沉降反力，预应力按外荷载施加，并计入预应力损失。

2.3 计算结果

（1）钢锚梁。锚梁钢结构需满足弹性阶段构件的强度和稳定性要求。采用容许应力法控制，控制应力［σ］＝196 MPa，剪应力［τ］＝120 MPa。

钢锚梁计算结果见图6～图8。

图6 钢锚梁MISES应力云图（单位：MPa）

图7 钢锚梁剪应力应力云图（单位：MPa）

图8 钢锚梁支撑板MISES应力云图（单位：MPa）

计算结果整理见表1。

表1 钢锚梁各部分应力汇总表 MPa

由表1可见，钢锚梁各部位按第三强度理论和第四强度理论进行强度验算时，各应力均小于控制应力，强度满足要求；稳定性满足《钢结构设计规范》（GB 50017－2003）4.2.4条构造要求，稳定性满足要求［3］。

（2）混凝土。混凝土计算结果见图9～图12。

图9 作用短期效应桥墩正应力云图（单位：MPa）

图10 作用短期效应桥墩0～1.44 MPa主拉应力云图（单位：MPa）

图11 持久状况桥墩正应力云图（单位：MPa）

图12 持久状况桥墩主压应力云图（单位：MPa）

从计算结果可知：剔除模型局部失真结果后，正常使用短期效应组合下，混凝土法向拉应力最大值为2.06 MPa，略微大于σst－σpc≤0.75 ftk＝1.8 MPa，剔除钢、混凝土连接节点失真部位后，混凝土主拉应力均小于σtp≤0.6 ftk＝1.44 MPa；持久状况下，混凝土法向压应力最大值12.18 MPa，小于最大法向压应力σkcp≤0.5 fck＝13.4 MPa，主压应力最大值14.21 MPa。小于受压区混凝土最大主压应力σcp≤0.6 fck＝16.1 MPa。混凝土持久状况正常使用极限状态和持久状况应力基本满足设计要求。

3 施工工艺

（1）施工工艺流程。粘钢区域、波纹管外包混凝土接触部位盖梁混凝土凿毛处理→植筋放样→植筋钻孔、清孔→植筋→钢锚梁安装、注胶粘贴→波纹管安装及固定→穿索及锚具安装→钢绞线张拉→压浆及锚头封堵→钢绞线外包混凝土封闭→钢锚梁防护。

（2）由于被加固桥墩受力钢筋位置的施工偏差，钢板上的植筋孔应在现场配钻，植筋钻孔前应用钢筋探测仪查明已有钢筋布置，适当微调以避开这些钢筋后进行钻孔。配钻孔禁止采用气割。

（3）钢板粘贴面需用钢丝刷或磨光砂轮机进行除锈和表面处理，打磨出一定粗糙度，打磨纹路与钢板受力方向垂直。

（4）根据锚固受力特点，钢绞线张拉必须在盖梁两侧同步进行，以平衡钢锚梁受力，避免拔出。

4 结语

通过对桥墩盖梁加固方法的阐述、方案的比选以确定最优加固方案，分别对加固过程的钢锚梁和混凝土盖梁进行各阶段受力分析，并对加固施工流程和相关施工注意事项进行了介绍，为类似工程提供借鉴与参考。

［1］ JTG／T J22－2008公路桥梁加固设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［2］ 许学健.混凝土植筋技术的应用［J］.建材技术与应用，2011（2）：27-28.

［3］ GB 50017－2003钢结构设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2003.