桩柱式桥墩病害表现及加固设计应用

赵一波，苏文明，郝林霞

（1.山东高速工程检测有限公司，山东 济南 250002；2.山东广信工程试验检测集团有限公司，山东 济南 250002）

引言

随着我国交通运输事业的蓬勃发展，“十四五”期间又将迎来高速公路建设黄金期，对交通土建的建设速度及质量控制提出了更高的要求。桩柱式桥墩由于不需要浇筑大体积承台，减小了施工空间且施工工艺简单，尤其是应用于小跨径装配式T型梁、小箱梁等自重较小的上部结构，得到了有效地推广。与此同时，针对此种较为普遍的下部结构型式，养护过程中的病害识别及加固处理变成一项比较重要的任务。

桩柱结合部受桩柱不同心、结合部钢筋连接不规范、桩头处理不当等内因影响，及受河道冲刷、桥面重载等外因影响，结合部一旦出现损伤，易出现基础沉降、墩柱倾斜、梁体偏位等表现病害。加固设计应根据墩柱、盖梁病害严重程度，宜采用顶升梁体、更换盖梁及墩柱的方案或顶升盖梁、更换墩柱的方案或借助现有桩基施工承台顶升盖梁或主梁的加固方案[2]。

1 病害表现

1.1 桥梁概况

德上高速洙赵新河大桥左幅桥为2×（5×25）m的预应力混凝土小箱梁，先简支后结构连续，桥面全宽28 m。下部结构为双柱式桥墩、摩擦桩基础，肋板式桥台、摩擦桩基础，采用板式橡胶支座。设计荷载：公路-Ⅰ级（2004）。于2016年建成通车。

1.2 现场调查病害综述

（1）6-1#墩柱（外侧墩柱）与桩基相对偏位，结合部混凝土松散，主筋弯曲；（2）6-1#墩柱，距顶部0～3 m范围内，16条斜向裂缝，宽度为0.15～0.8 mm；6#墩盖梁底面、高低桩号侧，多条斜向裂缝，宽度为0.1～0.6 mm；（3）6#墩盖梁纵桥向，外侧向小里程偏位6.8 cm，内侧向小里程偏位1.2 cm外，呈扭转形态；（4）6#跨主梁，5#墩顶位置，整体向外侧偏位5.5 cm；5#墩顶支座向外侧剪切约45°，6#墩顶支座向内侧剪切约30°；（5）结构出现永久性变形，构件出现结构性裂缝，左幅桥总体技术状况按重要部件最差评定为五类[1]。桥型布置见图1～图4。

图1 桩柱结合部混凝土松散、主筋弯曲

图2 6-1#墩柱、盖梁斜向裂缝

图3 5#墩顶主梁向外侧偏位

图4 5#墩顶支座剪切

1.3 成因分析

（1）柱状结合部桩头处理不当，混凝土质量较差，受河流周期性冲刷及桥面重载等影响，导致墩柱下沉，产生扭矩，主应力达到混凝土抗拉强度，致使桥墩及盖梁斜向裂缝。（2）墩柱下沉，致使6#墩盖梁向外侧偏位及下沉，6#墩顶梁体相对滞后，向内侧偏位，支座向内侧剪切，5#墩顶向外侧偏位，支座向外侧剪切。（3）采用Midas建立有限元模型，模拟墩柱沉降工况，结构变形与实际情况类似，外侧墩柱高桩号侧受拉，最大拉应力4 MPa，与实际墩柱裂缝分布位置基本对应。有限元模型及应力云图见图5、图6。

图5 6-1#墩柱沉降工况结构变形

图6 6-1#墩柱沉降工况墩柱应力云图

2 加固设计

2.1 方案一（钢管桩+贝雷梁支撑小箱梁）

本方案在6#桥墩两侧适当位置新增钢管桩作为支撑基础，单侧钢管桩在顺桥向为两排，钢管桩顶通过双支H型钢形成支撑平面，支撑平面放置千斤顶用于梁体顶升，千斤顶位于箱梁腹板下部，横桥向每排设置8个，千斤顶上设置贝雷梁支撑小箱梁，可采用枕木设置与贝雷梁与小箱梁间，以满足横坡要求。方案一设计见图7。

图7 方案一（钢管桩+贝雷梁支撑小箱梁）设计

由于此方案需进行体系转换，由原来的单支点支撑改为两点支撑，结构验算结果见表1。

表1 方案一结构验算统计

2.2 方案二（钢管桩+贝雷梁支撑盖梁）

本方案在6#桥墩两侧适当位置新增钢管桩作为支撑基础，单侧钢管桩在顺桥向为三排，钢管桩顶通过双支H型钢形成支撑平面，支撑平面放置千斤顶用于梁体顶升，千斤顶放置钢板以及穿过盖梁底贝雷梁，为满足横坡要求，可采用枕木或其他措施调整横坡[4]。方案二设计见图8。

2.3 方案三（承台+钢管立柱支撑盖梁）

以原桥墩两桩基为支撑点，在原桩头以下2.5 m浇筑平面尺寸为11.8 m×2.4 m厚2 m的承台，承台顶面设置钢管立柱支撑盖梁，钢管立柱通过法兰盘与承台连接，每片小箱梁下设置两个钢管立柱[3]。方案三设计见图9。

图9 方案三（承台+钢管立柱支撑盖梁）设计/cm

2.4 方案比选

三种方案优缺点及综合对比见表2。

表2 方案比选

桥梁采用方案二进行加固，加固过程中支承盖梁后开放桥面交通，减小了通行压力，结构安全可靠。

3 结语

（1）由于桩柱式桥墩为下部结构型式，如果出现扭转裂缝、墩柱倾斜、梁体偏位等表现病害，应主要考虑桩柱结合部质量缺陷所致，需及时开挖桩基复核病害。（2）确认结合部病害后，采用顶升盖梁更换墩柱的加固设计方案，可确保不转换结构体系，满足保通要求。