支墩頂升加固大跨蓋梁技術的探索

趙 娟 黃正猛 張建平

（云南九達交通建設有限公司,云南 昆明 650000）

某公路橋梁多次跨越地方道路,部分交角較小的橋墩采用了門架墩,上部結構采用40m 跨徑預應力T 梁結構,先簡支后結構連續。門架墩蓋梁長度有21m、30m 兩種規格,為預應力混凝土構件,一側墩梁固結,一側墩頂設置可橫向活動的盆式橡膠支座。在橋梁完成橋面鋪裝施工但尚未通車階段,門架墩蓋梁底面及兩側面出現不同程度的裂縫,21m 蓋梁裂縫寬0.06～0.26mm,30m 蓋梁裂縫寬0.2～1.2mm。經計算核實,門架墩存在支座承載力不足、蓋梁安全系數偏低的問題,為確保門架墩結構的安全性和耐久性,需對門架墩蓋梁進行加固處理。本文通過方案比選,結合現場實際條件,提出采用新增支墩頂升加固方案進行工程處治。

1 工程概況

21m 長度蓋梁跨中高2.8m,端部高3.8m,橫向尺寸2.2m,上部結構為5 片跨度40m 預應力混凝土T 梁,上部橋梁中心線與蓋梁跨徑中心線間距為4.275m；蓋梁設置12 根7φs15.2mm 預應力,底部設2 排共34 根φ25mm 主筋,墩柱為2m×2m 矩形墩。

30m 長度蓋梁跨中高3.5m,端部高4.5m,橫向尺寸2.2m,上部結構為10 片跨度40m 預應力混凝土T 梁,上部橋梁中心線與蓋梁跨徑中心線間距為6.5m；蓋梁設置12 根12φs15.2mm 預應力,底部設2 排共34 根φ25mm主筋,墩柱為2.4m×2m 矩形墩。

成橋后發現,門架墩蓋梁出現多條裂縫,裂縫典型形態為蓋梁底緣及側緣橫向貫穿裂縫,如圖1 所示。

圖1 蓋梁裂縫示意圖

各裂縫為橫向裂縫,其中21m 蓋梁最大裂縫寬度0.26mm,30m 蓋梁發現多條寬度大于0.55mm 的裂縫,初步分析為蓋梁正截面抗裂不足所致。

2 結構驗算

采用有限單元軟件Midas 對各類型門架墩進行驗算,蓋梁和墩柱剛接一側采用剛性連接模擬,蓋梁和墩柱設置支座一側采用剛臂連接。分別計算上部結構的預制梁和濕接縫、橋面鋪裝、護欄等結構自重以及汽車等可變荷載作用下邊梁和中梁的反力,施加于蓋梁上。如圖2所示。

圖2 有限元模型示意圖

2.1 主要計算荷載

2.1.1 根據上部40mT 梁相關圖紙計算上部結構自重如表1。

表1 上部T 梁結構自重表

2.1.2 按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）計算車道荷載作用下次邊支點反力如表2。

表2 車道荷載反力計算表

車道在蓋梁對應的橋面加載范圍內根據影響線加載,汽車沖擊系數取0.35,兩車道內車道折減系數為1,三車道以上取車道折減系數0.9。

2.1.3 門架墩均勻升降溫按±25℃計算。

2.2 計算結果

經計算核查,橋墩蓋梁抗彎承載力不足,成橋階段蓋梁截面下緣拉應力均大于1.15ftk’=2.59MPa,如表3。

表3 門架墩蓋梁主要計算結果表

同時,計算成橋階段支座反力已遠大于盆式支座承載力,說明支座承載力不滿足結構受力需要。

3 蓋梁處治方案比選

3.1 處治要點

3.1.1 經驗算,蓋梁抗彎承載力不足,但抗剪承載力可滿足規范要求。因此,蓋梁處治以加強蓋梁縱向配筋提高抗彎承載力或降低彎矩為主。

其中,30m 蓋梁已進入屈服階段,應采用主動加固措施,減低鋼筋應力和混凝土壓應力,對蓋梁進行鉆孔等局部破壞性作業前,應對蓋梁進行臨時支撐,以確保安全。

3.1.2 各蓋梁支座已破壞,需進行更換并加大支座型號。

3.1.3 橋梁位于高烈度抗震設防區（Ⅷ度,地震動峰值加速度0.2g）,門架墩在一聯橋墩中承受水平力較大,而橋墩主筋配筋率配置偏低,不利于抗震。

因此該類型蓋梁處治時,不宜過多加載或擾動梁柱剛接點,以免地震作用增大較多或結構抗震承載力降低。

3.2 處治方案

由于上部結構鋪裝已完成,蓋梁拆除重建施工難度大、造價高、工期長,因此主要采用加固處治方案,確保結構安全可靠。由于本項目蓋梁高跨比較大,剛度和抗剪承載力均滿足要求,不適宜增大截面法。

3.2.1 預應力加固法

在蓋梁側面和底面新澆筑混凝土,并通過植筋與原結構連接,并在兩側板和底板設置預應力鋼束,達到增強結構承載力的目的。

該加固方法適宜于本項目各蓋梁的加固,可根據各蓋梁類型受力特點,調整預應力鋼束配置和現澆層厚度；需注意排查影響預應力加固效果的因素,如支座、墩剛度等邊界條件造成的預應力損失,新舊混凝土結合、新老混凝土結構協同受力等。

3.2.2 粘貼鋼板加固法

采用螺栓和結構膠將鋼板固定在蓋梁側面和底面,提高蓋梁承載力。該方法造價低,但需在原結構大量植筋以確保鋼板有效參與結構受力,因此提升承載力有限。

3.2.3 改變結構體系

通過增加支點、鉸接改固結、簡支變連續等方法減少結構內力,但是應避免支點附近的負彎矩超過抗彎承載力。本項目各蓋梁為跨越地方道路而設,可采用在蓋梁下增加支點、減小跨徑的處治措施,降低結構內力。由于蓋梁當前階段鋼筋及混凝土應力過大,采用增設支點法時,需對蓋梁進行頂升,以達到減少蓋梁內力,同時可以減少支座反力,降低支座更換難度。

4 蓋梁處治方案設計

綜合考慮造價、施工風險、難度、工期等因素,設計采用增設墩柱、在增設墩柱頂對門架墩蓋梁進行頂升,同時在蓋梁底部粘貼鋼板的方案。

蓋梁處治總體施工順序為：混凝土裂縫處理→增加支墩處治→支墩預壓過程中,原支座處頂升蓋梁、更換支座→壓力注漿粘貼鋼板。

4.1 處治設計目標

4.1.1 裂縫處理

首先對蓋梁裂縫進行處理,以減少頂升蓋梁的變形量,避免T 梁因頂升開裂。對于裂縫寬度≥0.15mm 的裂縫采用壓力注膠法,對于裂縫寬度＜0.15mm 的裂縫采用表面封閉法。

4.1.2 頂升力要求

結合現場下穿道路、地形等因素,合理確定支墩數量和位置,支墩宜盡可能靠近跨中布設以減少蓋梁內力,根據支墩位置,選取合適的頂升力。

頂升力應能有效對蓋梁卸載,同時不宜過大,以免蓋梁上緣及上部T 梁開裂,頂升時蓋梁截面上緣及T 梁應力需滿足規范對于A 類預應力構件的抗裂要求。

根據微網的控制方式,當微網和主網并聯運轉時,超導磁場儲能技術通過PQ控制方法,將有功與無功功率設定為零;若微網處在孤島運轉狀態時,超導磁場儲能技術可轉變現有控制策略,轉換為恒壓恒頻控制方法,進而保障微網孤島運轉過程中的電位與頻率的穩定性,從而保障超導磁場儲能技術下的實時調控和微網孤島運轉下的供電質量。超導磁場儲能技術下的電磁儲能架構如圖3所示。

4.1.3 正常使用極限狀態應力要求

由于蓋梁已開裂,受拉區混凝土的拉應力得到釋放、抗拉強度降為零,因此混凝土構件開裂前的拉應力不能與處治后的拉應力累加。所以,處治后的蓋梁進行正常使用極限狀態抗裂驗算時,不宜采用適用于新建構件的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁設計規范》A 類預應力混凝土構件進行頻遇組合、準永久組合下的拉應力驗算,而應以處治完成后,新增荷載所產生的拉應力不超過規定值為控制目標。

因此,正常使用極限狀態的抗裂驗算,宜以處治完成后,新增荷載頻遇值所產生的拉應力不超過0.7ftk=1.855MPa（參考A 類構件抗裂驗算取值）,確保構件不再進一步開裂,保證結構的耐久性。

4.1.4 抗彎承載力要求

蓋梁受拉區混凝土由于開裂及頂升卸載后,拉應力得到釋放,同時對裂縫進行注膠封閉、梁底粘貼鋼板、環氧砂漿抹面,可認為處治后受拉區混凝土現存拉應力接近于零,抗拉強度得到恢復,蓋梁抗彎承載力得到提升,安全系數不低于1.2。

4.2 處治方案設計

利用Midas 進行計算,按照處治目標確定頂升力及粘貼鋼板要求。模擬分析的主要施工階段為：①澆筑墩柱、蓋梁混凝土,張拉蓋梁下層鋼束,拆除蓋梁支架；②架設上部T 梁；③張拉蓋梁上層鋼束；④施工各T 梁濕接縫；⑤施工橋面系、護欄等附屬構造；⑥新增墩柱施工；⑦1.1 倍頂升力預壓新增墩柱；⑧施加頂升力；⑨設置新增墩柱支座；⑩成橋運營,并考慮十年收縮徐變影響。

4.2.1 施加頂升力

對各門架墩增設支墩,結合墩距、蓋梁卸載及應力情況選取頂升力。通過全橋模型及單獨蓋梁模型計算對比,頂升力作用效應約90%由蓋梁承擔,剩下10%由上部T 梁、防撞護墻及橋面現澆層組成的結構體系承擔。

經計算確定21m 蓋梁適宜施加頂升力4200kN,30m蓋梁適宜施加頂升力7000kN,施加頂升力后,蓋梁內力、應力情況如表4、表5 所示。

表4 新增支墩施加頂升力后蓋梁內力表

表5 增支墩施加頂升力后蓋梁應力情況表

通過計算可知,增設支墩施加頂升力后,蓋梁彎矩設計值分別下降30%、47%,抗彎安全系數分別由0.6、0.8提升到1.1、1.2,蓋梁下緣拉應力分別減少3MPa、8.35MPa。

4.2.2 粘貼鋼板

在蓋梁底部粘貼5 條30cm 寬、厚度為12mm 的Q420C 鋼板,提高蓋梁承載力。在Midas 計算時鋼板根據強度等效成37 根φ25mm 鋼筋作用于蓋梁截面下緣,同時根據《公路橋梁加固設計規范》6.2.2～6.2.3 條內容,考慮蓋梁預應力作用,計算粘貼鋼板后的抗彎承載力,兩種計算結果對比如表6 所示。

表6 增支墩施加頂升力粘貼鋼板后蓋梁承載力情況表

通過計算可知,鋼板等代成強度等效的鋼筋與鋼板計算基本一致,粘貼鋼板后,蓋梁抗彎承載力安全系數提高到1.2 以上,達到治理目標要求。

4.2.3 正常使用極限狀態應力驗算（表7）

表7 處治完成后蓋梁正常使用極限狀態應力表

處治完成后,新增荷載作用的應力即為汽車荷載作用效應頻遇值,均小于1.855MPa,因此,在新增荷載作用下,構件不會進一步開裂,滿足正常使用極限狀態正截面抗裂要求。

4.2.4 支反力計算（表8）

表8 新增支墩施加頂升力粘貼鋼板后蓋梁承載力情況表

5 結論

本文通過對門架墩大跨蓋梁開裂進行計算分析,結合實際情況,對幾種加固方法進行比選,提出采用新增支墩頂升加固蓋梁的方案,得出主要結論如下：

5.1 蓋梁承載力不足產生裂縫,其處治應以加強蓋梁縱向配筋,提高抗彎承載力或降低彎矩為主。

5.2 采用支墩頂升加固蓋梁改變結構受力體系的加固方法可有效降低蓋梁內力、減少支座反力,同時節約造價。

5.3 橋梁上部結構、防撞護墻及橋面現澆層組成的結構體系會承受部分頂升力作用,頂升力的選擇應考慮上部結構體系的影響。