既有橋梁低標號樁基承臺加固設計分析

蔣 薇，蘇 謙，黃俊杰，楊玲玲，喬 珊

(1.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031;2.西南交通大學道路工程四川省重點實驗室，四川成都 610031;3.四川科特建設管理有限公司，四川成都 610000)

1 工程簡介

某既有線橋梁屬于預應力混凝土簡支梁橋，全橋長425.82 m，橋面縱坡11.2‰，位于R=450m圓曲線路段。兩側橋臺為擴大基礎，其余橋墩基礎為樁基基礎，樁徑為1.25m。樁和承臺為C18鋼筋混凝土材料，屬于低標號混凝土;墩身均為矩形實體墩，橋臺為T形橋臺。墩、臺材料為C13片石混凝土，支座皆為搖軸式支座。

該大橋所在地區地貌和地質類型較復雜，斷裂縱橫，巖體破碎，巖性多變。區內碳酸鹽分布廣，巖溶、膨脹巖土、軟質泥炭土、暗河、漏斗等溶蝕地貌顯著。

2 橋梁基礎病害機理分析

綜合前期系統監測、現場調研和數據分析，該承臺病害產生原因主要有以下3點:

1)墩身橫向振幅超限問題，可能主要由以下幾方面或單方面原因，即①墩身橫向剛度不足;②橋墩基礎不穩;③上部結構橫向荷載過大。

2)材料的強度不夠，承臺使用的是C18鋼筋混凝土材料，按現有規范的設計要求似嫌不足。

3)橋梁基礎問題，地基溶洞和裂隙極為發育，巖層強風化和中風化，部分橋墩樁長不足，支撐于軟巖或極軟巖上，甚至嵌在砂層中，在車—線—橋系統耦合作用下，導致橋墩及承臺基礎沉降和不均勻沉降。

3 橋梁承臺加固設計方案

既有鐵路橋基礎病害整治是一個多因素相互作用的綜合性工程，整治方案的科學和整治工藝的合理排序關乎整個整治工程的成敗。一個具體實施的整治方案和工藝，需要多方論證和研究。

3.1 加固的基本原則

1)加固設計應與施工方法緊密結合，并采取有效措施，保證新老結構連接可靠、協同工作。

2)加固設計及施工盡量不損傷原結構，并保留具有利用價值的構件，避免不必要的拆除或更換。

3)加固設計應符合相應規范承載力設計值的要求。

4)保證運營安全。

3.2 方案設計［1-3］

根據前期監測和勘察結果，經過多方論證與研討，對該大橋的承臺采用擴大基礎外包式，如圖1所示。此法適用于基礎承載力不足或埋置太淺，而墩臺又是磚石或混凝土剛性實體基礎，并適用于基礎發生較大不均勻沉降的情況。為使新舊承臺結合良好，采用植筋法連接新老承臺，即通過植入鋼筋錨栓承接和傳導彎矩及剪力，使新舊混凝土形成有機整體共同承擔上部荷載。為加強新舊混凝土的結合，應把原承臺與新增承臺的結合面進行百分之百的鑿毛，鑿毛過程中，盡可能鑿除原承臺有蜂窩或空洞缺陷部分。鑿毛后，在需要植筋部位打孔至設計深度，然后清洗混凝土表面并保持表面濕潤。完成以上工作后，在鋼筋及其植筋孔內表面涂抹植筋膠，植入設計長度的φ25鋼筋錨栓，待鋼筋錨栓穩固后澆筑新承臺混凝土。

圖1 承臺加固方案

3.3 加固計算方法

1)樁對承臺的沖切作用檢算方法［4］

根據《建筑樁基技術規范》，對于柱下矩形獨立承臺受柱沖切的承載力可按下式計算

式中 Fl——不計承臺及其上土重，在荷載效應基本組合下作用于沖切破壞椎體上的沖切力設計值;

ft——承臺混凝土抗拉強度設計值;

hc，bc——分別為 x、y 方向的柱截面的邊長;

a0x，a0y——分別為 x、y 方向柱邊至最近樁邊的水平距離;

βhp——受剪切承載力截面高度影響系數。當h≤800mm 時，取 βhp=1.0;當 h≥2 000mm 時，取 βhp=0.8。

2)角樁對承臺的沖切計算方法［4］

根據《建筑樁基技術規范》，四樁以上(含四樁)承臺受角樁沖切的承載力可按下式計算

式中 Nl——不計承臺及其上土重，在荷載效應基本組合作用下角樁(含復合樁)反力設計值;

β1x，β1y——角樁沖切系數;

a1x，a1y——從承臺底角樁頂內邊緣引 45°沖切線與承臺頂面相交點至角樁內邊緣的水平距離;當柱邊或承臺變階處位于該45°線以內時，則取由柱邊或承臺變階處與樁內邊緣連線為沖切錐體的錐線;

h0——承臺外邊緣的有效高度;

λ1x、λ1y——角樁沖跨比，λ1x=a1x/h0，λ1y=a1y/h0，其值均應滿足 0.25～1.0的要求。

βhp——受剪切承載力截面高度影響系數;當h≤800mm時，取βhp=1.0;當 h≥2 000mm 時，取 βhp=0.8。

3)受剪檢算方法［4］

根據《建筑樁基技術規范》，柱下獨立樁基承臺斜截面受剪承載力應該按下列公式計算

式中 V——不計承臺及其上土自重，在荷載效應基本組合下，斜截面的最大剪力設計值;

ft——混凝土軸心抗拉強度設計值;

b0——承臺計算截面處的計算寬度;

h0——承臺計算截面處的有效高度;

α——承臺剪切系數;

λ——計算截面的剪跨比，λx=ax/h0，λy=ay/h0，此處，ax、ay為柱邊或承臺變階處至x、y方向一排樁的樁邊的水平距離，其值均應滿足0.25～3.00的要求;

βhs——受剪切承載力截面高度影響系數;當h0＜800mm 時，取 h0=800mm;當 h0＞2 000mm時，取h0=2 000mm。

4 低等級混凝土植筋方案設計

植筋技術又稱為錨筋技術，是一種新型混凝土結構加固技術。該技術采用沖擊電鉆在現有混凝土等結構上鉆孔，然后用植筋膠填塞，最后栽植鋼筋，使鋼筋和混凝土緊密結合，以達到增強新增加固材料與老結構的連接性能，同時又可使所植鋼筋起到剪力鋼筋的作用。

4.1 設計原則

根據設計文件，該大橋墩臺采用C13片石混凝土，承臺為C18鋼筋混凝土材料，其材料強度均不能滿足規范［5］對同類構件混凝土強度等級不低于C25的要求。因此，《混凝土結構加固設計規范》已不能作為該大橋的設計依據。這就對該承臺加固植筋技術提出了考驗，亦即，如何設計植筋的錨固深度、布置形式成為加固的關鍵。經過多方研究討論，再三考慮《混凝土結構加固設計規范》的適用性，本次設計仍然將該規范作為設計標準，但在取值的時候可以選擇乘以一個放大相關系數Ψ=1.5，以確保能滿足低標號承臺植筋加固的設計需求。

4.2 錨固深度確定方法

選取合理的錨固深度能使植筋在不損壞原結構的情況下，使新增結構與原結構緊密結合形成整體，增強結構的承載力和穩定性。

植筋的基本錨固深度ls的計算公式［6］

式中，防止混凝土劈裂引用的計算系數aspt=1.0;植筋公稱直徑d=16 mm;鋼筋的抗拉強度設計值fy=455mPa;膠黏劑的黏結強度設計值fbd=2.14 MPa。計算得錨固深度ls=680mm，在此基礎上再乘以一個放大相關系數Ψ=1.5，得到基本錨固深度l's=1 020mm。

對于該大橋，可采用構造要求植筋確定最終錨固深度，對于受拉鋼筋錨固:最小錨固長度lmin應該選取max{0.3 ls=306 mm;10d=160mm;100mm}，由此，可確定該設計植筋的錨固深度ls=300mm。

4.3 施工工藝要求

在設計滿足要求后，施工質量的好壞決定承臺加固施工的成敗。因此對植筋技術做如下說明:

1)將設計接觸面的墩身和承臺部分開挖露出，對設計接觸面進行鑿毛，鑿除深度25～30mm，并清洗干凈，以保證接觸面黏接強度。

2)植筋按梅花形布置，詳見墩身植筋布置大樣圖2。

圖2 墩身植筋布置大樣(單位:cm)

3)將植筋孔放位，采用電錘隔孔鉆孔方式(嚴禁使用氣錘鉆孔，以防止出現局部松散，開裂)，要求后續植筋工序跟進，每一面植筋孔數量不允許出現大于3個，鉆孔深度為300mm，鉆孔深度檢驗差值不能超過5mm。邊孔距離結構邊緣≥150mm，相鄰接觸面植筋采用“間隔臨近”方式，詳見相鄰面植筋布置大樣圖3。

4)橋墩墩身下部及承臺頂、側面要鑿毛，頂面不鉆孔植筋，側面鉆孔植筋，植筋方式詳見植筋布置大樣圖4。

5)采用壓縮空氣設備清理鉆孔，嚴禁用水清洗，以防孔內潮濕，影響植筋質量。

6)所植鋼筋采用HRB335φ16 mm帶肋或螺紋鋼筋，鉆孔直徑為20mm;植筋膠黏劑采用A膠或B膠，必須按照《混凝土結構加固設計規范》相關要求進行安全性檢驗。

圖3 相鄰面植筋布置大樣(單位:cm)

圖4 側面植筋布置大樣(單位:cm)

5 結語

1)結合加固承臺的基本原則，對承臺采用擴大基礎外包式，在新舊混凝土接觸面進行鋼筋植筋，使新承臺與舊承臺完全結合共同作用，來控制橋梁的不均勻沉降，以保證列車正常安全舒適的運行。

2)承臺屬于低強度指標混凝土，在加固植筋技術中已不能采用現行規范作為承臺加固設計依據。本文對承臺植筋的技術提出更為詳細的建議。

3)與此同時，由于缺乏規范的指導，上述的相關參數均依據相關加固設計經驗得出，施工時應進行植筋抗拉試驗，以檢驗和評價植筋質量。

［1］袁善堤.超低標號混凝土樁基承臺加固［J］.浙江建筑，2010，27(7):43-45.

［2］張永厚，張永峰.中山市沙崗立交橋使用狀態檢定和加固方法研究［J］.鐵道建筑，2012(5):11-13.

［3］王振領，林擁軍，錢永久.新老混凝土結合面抗剪性能試驗研究［J］.西南交通大學學報，2005，40(5):601-604.

［4］中華人民共和國建設部.JGJ 94—2008 建筑樁基技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［5］中華人民共和國建設部.JB 50367—2006 混凝土結構加固設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2006.

［6］王春林，陳越粵，周強.對《混凝土結構加固設計規范》中植筋技術的討論［J］.特種結構，2008，25(1):103-104.