滬昆線既有橋墩加固設計分析

陳龍　陳航　王小兵

【摘 要】文章以滬昆線既有某病害橋墩工程為背景，對該橋墩加固方案進行分析研究。文中首先說明了橋墩的病害和檢測情況，通過病害分析研究了橋墩加固措施;隨后對加固設計的外套混凝土厚度和植筋長度進行了計算，介紹了具體的施工方法;最后總結了橋墩加固的效果，為既有橋梁橋墩混凝土病害的處理提供借鑒和參考。

【關鍵詞】滬昆線; 病害; 加固; 措施

【中圖分類號】U445.7+2【文獻標志碼】A

隨著我國高速鐵路項目相繼竣工投入使用，由于橋梁在設計、施工或者使用過程中等各種因素的影響，橋墩在使用多年后，將出現各種不同的病害[1]。為了減少拆除重建帶來的經濟損失和社會影響，對病害的橋墩進行檢測和加固是十分必要。

目前國內根據造成橋墩病害的原因采用不同的處理加固措施。文獻[2]討論采用鋼筋混凝土套箍進行加固，并對比加固前后橋墩的應力及變形;文獻[3]研究了考慮水流沖刷影響的橋梁基礎，對增補樁基和外包鋼筋混凝土加固既有橋墩的方法;文獻[4]概述了國內混凝土橋梁下部結構中出現的主要病害， 討論了養護加固方法;文獻[5]研究總結了國內外傳統常用的加固修復技術。

本文以滬昆線某既有橋墩為例，對橋墩現狀及病害進行了檢測分析，提出了對應的加固措施及方案，并計算了相應的加固參數值，為以后的鐵路橋墩加固設計提供了寶貴的經驗。

1 工程概況

1.1 既有橋梁狀況

滬昆線既有某橋，位于直線上，全橋長535.7 m，橋梁孔跨布置形式為16×32 m簡支整孔箱梁，梁部采用移動模架施工，全橋鉆孔樁基礎，樁徑1.25～1.5 m，本橋除3、8、10號墩為摩擦樁外，其余均為柱樁基礎。橋墩采用雙線圓端形實體橋墩。

5號橋墩高22 m，承臺頂設置1 m厚墊塊，墩頸縱向尺寸2.3 m，墩身縱橫向坡比為45∶1。基礎設計為柱樁，8根1.25 m樁徑梅花形布置，樁長23 m，樁基穿過溶蝕破碎帶，嵌固于角礫狀白云巖夾角礫狀灰巖弱風化層中，容許承載力700 kPa。該墩單樁設計承載力5 751 kN，容許承載力6 326 kN，線剛度667 kN/cm。

1.2 橋墩病害及現狀

1.2.1 墩身裂縫檢測

根據第三方檢測報告， 5號墩共發現較大裂縫9條，其中豎向6條，環向裂縫3條。各裂縫檢測值摘錄見表1。

環向裂縫主要集中在距墩底8 m處墩周身，環向裂縫深度5.2～20 cm，裂縫寬0.12～0.15 mm;豎向裂縫集中在8 m以上墩兩側，豎向裂縫深度33.5～46.1 cm，裂縫寬最大達5 mm，裂縫長最大達6 m，且有進一步發展趨勢。裂縫示意如圖1所示。

1.2.2 墩身強度檢測

根據第三方檢測報告，某橋5號橋墩墩身混凝土強度在15.85～55.26 MPa之間。5號橋墩混凝土強度檢測報告見表2。

2 加固設計方案

2.1 橋墩現狀計算

根據檢測報告，分析5號墩結構破壞最不利位置，模擬混凝土強度降低、墩身因裂縫后縮小墩身尺寸情況下墩身受力檢算。

5號橋墩墩身原設計為C35混凝土，相應軸心抗壓強度為23.5 MPa，根據檢測報告，9組試件強度檢測，去掉超過40 MPa值，在15～30 MPa值間取其平均為19.99 MPa，對應混凝土標號為C30，則5號橋墩混凝土強度按C30進行檢算。

5號橋墩環向裂縫第9號檢測深20 cm，但實際考慮到墩身表面混凝土保護層已被敲掉，護面鋼筋已外露，實際裂縫深度在25 cm左右，則5號橋墩按墩身縱向截面尺寸減小40 cm、50 cm、60 cm三檔計算，分析墩身內部受力，其結果見表3。

5號橋墩設計為實體墩，且按素混凝土理念考慮，屬于小偏心受壓構件，其正常情況下在墩底處墩身內最大壓應力是2.8 MPa。考慮9號裂縫深度影響，墩身截面減小40 cm時（即開裂深度20 cm時），墩身內最大壓應力達3.42 MPa（墩高11 m處），墩身截面減小50 cm時（即開裂深度25 cm時），墩身內最大壓應力達3.64 MPa（墩高12 m處），依據TB 10092-2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》，均小于規范中偏心受壓容許值10 MPa，也小于中心受壓容許值8 MPa，橋墩結構基本安全。

2.2 病害分析

根據檢測報告，雖然從橋墩取芯的情況看，墩身混凝土最小強度能達到15 MPa，但是墩身表面混凝土開裂嚴重，以及長期高速行車、橋位處氣候長期凍融影響及混凝土老化等因素，造成橋墩縱、橫向剛度降低、振幅變大，進一步使墩身裂縫向擴大、變深發展。

3 橋墩加固設計

3.1 方案確定

橋墩的剛度可以理解為，當墩頂發生單位位移時，所需要外力的大小，亦稱為線剛度，其大小與墩身截面慣性矩成正比。因此，可以考慮增大墩身截面來提高墩身剛度。根據5號墩現狀，采用外套混凝土的方式不僅是對墩身裂縫處理，還能提高整體剛度。外套混凝土與原墩身混凝土連接，采用植筋方式，并增加護面鋼筋網，以減少墩身表面因拉應力而產生裂縫的可能。

3.2 外套混凝土厚度確定

外套混凝土強度不宜與原設計橋墩混凝土相差過大，因此仍采用C35混凝土。結合裂縫位置、深度、寬度影響，考慮外套混凝土厚度35 cm、40 cm、50 cm，模擬為薄壁空心墩形式計算確定。以下為各種厚度值計算情況（表4）。

考慮施工過程中的模板架立、鋼筋綁扎及混凝土振搗等因素，外套混凝土厚度選擇50 cm，墩身截面如圖2所示。

3.3 樁基礎檢算

經計算增加50 cm厚外套混凝土后，墩身增加混凝土170.3 m3，需要對基礎進行重新計算，以下為樁基礎計算結果：

（1）墩頂位移：

dY=0.726 cm，[dY]=2.828 cm

dY<[dY]

（2）單樁承載力：

P=6006.42 kN，[P]=6454.40 kN

P<[P]。

（3）樁側土壓力：

σmax=16.47 kPa，[σ]=1561.66 kPa

σmax<[σ]。

從計算結果可知，單樁設計承載力增加了255 kN，達到了6 006.42 kN，樁身容許承載力6 454.40 kN，單樁承載力富裕7.50 %，而且墩頂位移、樁側土壓力均滿足設計要求，因此樁基礎基礎無需加固處理。

3.4 植筋設計

為使外套混凝土鋼筋網與原墩身較好地結合，采用比較成熟的植筋技術，即外套混凝土鋼筋網與既有墩身植入短筋連接。短筋擬采用直徑25 mm鋼筋。植筋錨固深度設計值公式：

l≥ψψl

式中：ld為植筋錨固深度設計值（mm）;ls為植筋的基本錨固深度（mm）;ψN為考慮各種因素對植筋受拉承載力影響而需加大錨固深度的修正系數;ψae為考慮植筋位移延性要求的修正系數。

以上參數按GB50367-2013《混凝土結構加固設計規范》15.2.5公式選用。

植筋錨固深度設計值為：

l≥ψψl=1×1.1×379=417 mm

施工錨固深度選用取值：450 mm，植筋示意圖如圖3所示。

3.5 施工方案

（1）移除5號墩右側電纜上下橋槽道及電纜盒，或臨時

架空保護，利用橋墩加固整治搭設的腳手架固定。

（2）清除承臺頂渣土。

（3）對墩身混凝土表面進行鑿毛清洗處理。

（4）對墩身上所有裂縫先壓漿封閉，墩表受影響范圍（承臺以上3 m至墩頂以下5 m段）的墩身表面涂刷一層環氧樹脂。

（5）墩身植短筋。

（6）綁扎外箍鋼筋網。

（7）立模澆筑外包混凝土，同時預埋電纜上橋的槽道。

（8）拆除模板，恢復電纜上橋電纜槽并固定，拆除腳手架。

4 結束語

本橋墩加固已于2019年12月完成施工，目前行車運營情況良好。對于這種復雜病害橋墩加固，應先對存在病害的結構進行詳細檢測，再對檢測數據進行詳細計算分析，提出合理可行的加固方案，并完成相關的計算與設計。本橋墩加固設計可以為以后類似既有橋梁橋墩混凝土病害的處理提供借鑒。

參考文獻

[1]崔清強，沈興標.鐵路橋病害橋墩檢測評估及處治方法[J]. 世界橋梁. 2005（2）：63-65.

[2]成文佳，蒲黔輝.瑪納斯河大橋橋墩加固效果評估[J].四川建筑，2005（1）：100-101.

[3]黃洪猛，徐登云，路韡.既有鐵路淺基橋墩的加固設計和施工技術[J].中國鐵道建筑報，2019（3）： 26-30.

[4]何曉陽，項貽強，邢騁.混凝土橋梁下部結構病害分析與加固[J].重慶交通大學學報，2013（S1）：807-811+822.

[5]曹興，魏洋，李國芬，等.鋼筋混凝土橋墩加固與修復技術研究[J]. 施工技術. 2011（15）：60-64.

[定稿日期]2021-04-27

[作者簡介]陳龍（1982～），男，本科，工程師，從事橋梁設計工作;陳航（1991～），男，碩士，工程師，從事橋梁設計工作;王小兵（1982～），男，本科，高級工程師，從事橋梁設計工作。