許宏偉,周 潔，李 勇

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2.石家莊市道橋設(shè)施管護(hù)中心，河北 石家莊 050000)

采用獨(dú)柱大懸臂蓋梁設(shè)計(jì)的城市高架橋，具有上部橋面較寬、有效提高通行能力，下部占用土地面積少、可以充分利用地面空間且視野良好的典型特點(diǎn)，在城市橋梁設(shè)計(jì)中往往成為優(yōu)先選擇的結(jié)構(gòu)形式。近年來(lái)石家莊市在役的獨(dú)柱大懸臂蓋梁高架橋累計(jì)已近20座，其中二環(huán)路高架、和平路高架、槐安路高架、中華大街高架等主要干道均有此種結(jié)構(gòu)形式。但該種橋梁存在著整體抗傾覆能力較差、梁墩組合結(jié)構(gòu)受力集中容易產(chǎn)生病害墩、支座受力不均易導(dǎo)致脫空及橋墩防撞和抗震能力差等問(wèn)題[1-4]。如何對(duì)橋梁病害進(jìn)行不中斷行車(chē)條件下及時(shí)維修，盡可能降低對(duì)城市交通的影響避免產(chǎn)生二次事故，不僅能夠節(jié)約相當(dāng)大的加固或拆建費(fèi)用，而且能夠防止結(jié)構(gòu)病害的嚴(yán)重發(fā)展、避免重大橋梁坍塌事故的發(fā)生，具有不可估測(cè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 工程概況

石家莊市某高架橋，設(shè)計(jì)荷載城-A，雙向四車(chē)道，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?7.5 m，上跨京廣鐵路，與原有立交相交處，設(shè)一對(duì)上下匝道，其東側(cè)與原有立交主線(xiàn)相連；由于原有立交高度較低，該處橋墩高度僅5.87 m，墩柱、蓋梁及基礎(chǔ)截面尺寸如圖1所示，蓋梁下車(chē)道凈空約5.2 m。該橋處于城市東西交通主干道上，交通量較大，橋梁的安全運(yùn)營(yíng)與否對(duì)城市交通出行有較大影響。

圖1 墩柱、蓋梁及基礎(chǔ)截面尺寸(單位：mm)

2 蓋梁及墩柱病害現(xiàn)狀

橋梁下部結(jié)構(gòu)常見(jiàn)病害主要有墩臺(tái)身的橫向豎向和網(wǎng)狀裂縫，由于墩臺(tái)身多為大體積混凝土，裂縫產(chǎn)生的主要原因是溫差或者養(yǎng)護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致的收縮裂縫。對(duì)于城市獨(dú)柱墩橋梁，為了盡可能的利用城市空間，橋下一般設(shè)有車(chē)道，超高超重車(chē)輛撞擊蓋梁的事件時(shí)有發(fā)生，由于獨(dú)柱墩抗扭性能差，蓋梁在外力撞擊下，會(huì)對(duì)橋墩產(chǎn)生較大扭矩，從而導(dǎo)致墩身產(chǎn)生開(kāi)裂。

該橋東西走向，HP-S139號(hào)墩柱由于東行重車(chē)超高撞擊南側(cè)蓋梁底部，導(dǎo)致墩柱及蓋梁存在裂縫及混凝土脫落、鋼筋外露等損傷發(fā)生。其中，蓋梁南側(cè)底部混凝土損傷較為嚴(yán)重，底排部分鋼筋及箍筋存在外漏、銹蝕的現(xiàn)象，部分豎向鋼筋及箍筋存在斷裂現(xiàn)象，蓋梁南側(cè)上部混凝土存在開(kāi)裂現(xiàn)象；蓋梁北側(cè)無(wú)明顯損傷。墩柱部分區(qū)域存在多條裂縫，裂縫寬0.2～1.5 mm、長(zhǎng)140～1 480 mm不等，經(jīng)鉆芯取樣檢查，為貫通裂縫。

3 橋梁墩柱病害處理

3.1 蓋梁病害處理

南側(cè)蓋梁混凝土損傷較為嚴(yán)重，蓋梁下表面及倒角處損傷，經(jīng)過(guò)分析病害對(duì)于結(jié)構(gòu)受力沒(méi)有明顯影響，主要是對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性影響較大，處理方式為對(duì)表面混凝土剝落及破損處采用聚合物水泥砂漿修補(bǔ)，對(duì)生銹鋼筋及斷裂鋼筋進(jìn)行除銹及加固(補(bǔ)焊鋼筋)處理，如圖2所示。表面修補(bǔ)完成后粘貼1.4 mm厚碳纖維板對(duì)蓋梁底面進(jìn)行封閉處理，并在側(cè)面粘貼碳纖維布條進(jìn)行加強(qiáng)處理，詳見(jiàn)圖3。

圖2 鋼筋補(bǔ)強(qiáng)

圖3 蓋梁碳纖維板加強(qiáng)(單位：mm)

3.2 墩柱病害處理

3.2.1 加固方案比選

根據(jù)檢測(cè)，墩柱裂縫為貫通裂縫，混凝土發(fā)生開(kāi)裂，鋼筋完好。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)交通量及墩柱病害情況，選取兩種加固方案進(jìn)行比選：第一種為原位拆除更換法，即在原墩身周?chē)黾愉撝未嬖罩斖辛后w及蓋梁，使原墩柱不承載，拆除原墩柱開(kāi)裂部分，重新澆筑混凝土；第二種為對(duì)原墩柱裂縫進(jìn)行表面封閉及壓力注漿處理，然后采用增大截面法進(jìn)行加固處理，即在原有墩柱周?chē)鷿仓粚踊炷?，并用鋼板進(jìn)行包裹。

通過(guò)方案比選，增大截面法具有橋下封閉時(shí)間短、不需要橋上限行、施工難度及風(fēng)險(xiǎn)低的明顯優(yōu)勢(shì)，最終選擇增大截面法方案進(jìn)行墩柱加固：首先對(duì)墩柱裂縫封閉或者壓力注漿處理，然后采用增大截面法進(jìn)行加固(如圖4所示)，根據(jù)矩形截面受扭時(shí)長(zhǎng)邊中間首先破壞的特點(diǎn)，并結(jié)合行車(chē)道需求，順橋向(寬度較大)厚度增加大于橫橋向(寬度較小)厚度增加，增大截面部分采用CGM灌漿料澆筑。

圖4 墩柱增加截面布置(單位：mm)

3.2.2 處理過(guò)程

(1)荷載卸除：墩柱加固前，由于仍然受到上部活載作用，裂縫處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，墩柱病害處理前，施工中采用增加鋼支撐的方式進(jìn)行卸載處理，在橫橋向墩身兩側(cè)增加鋼管墩柱，通過(guò)液壓千斤頂施加壓力消除活載的影響。

采用梁格法建立兩跨橋梁的整體模型，橫隔板、梁體、橋墩及蓋梁截面均根據(jù)設(shè)計(jì)截面確定，蓋梁與橋墩之間采用剛性連接，蓋梁與梁體支架采用受壓彈性連接，兩邊跨支座位置直接施加約束，中間橋墩底部按固定端約束。根據(jù)移動(dòng)荷載追蹤分析結(jié)果，墩側(cè)鋼支撐需要支撐的荷載為1 220.23 kN，實(shí)際施工時(shí)為消除車(chē)輛影響，單側(cè)鋼支撐預(yù)頂荷載控制值為1 300 kN。

(2)墩柱裂縫處理：對(duì)墩柱裂縫寬度小于0.15 mm的裂縫采用封閉法處理，對(duì)于較深、寬度≥0.15 mm的裂縫采用壓力注漿法處理。

(3)墩柱增大截面加固處理：構(gòu)件結(jié)合面處理→

原結(jié)構(gòu)上植筋及鋼筋綁扎→原混凝土面清潔→模板支護(hù)及CGM灌漿料澆筑。其施工要點(diǎn)有：①構(gòu)件結(jié)合面鑿毛處理，凹凸差不宜小于6 mm，并露出粗骨料。②植筋需做抗拉拔試驗(yàn)，合格后綁扎鋼筋，新增鋼筋骨架應(yīng)與錨筋連成整體。③在澆筑前清洗鑿毛后的混凝土表面并保持濕潤(rùn)。④外包鋼板焊縫需做探傷檢查，外包鋼板不能作為外模板使用。⑤CGM灌漿料澆筑時(shí)要加強(qiáng)檢查，保證灌注密實(shí)。

4 實(shí)施效果分析

根據(jù)實(shí)施方案，加固后效果為：①墩柱裂縫通過(guò)封閉及壓漿處理后截面豎向承載力滿(mǎn)足要求；②墩柱外包處理后，截面面積增加了48.9%，且增加部分灌漿料強(qiáng)度達(dá)到C60，高于原墩柱設(shè)計(jì)強(qiáng)度C40，所以豎向承載能力有明顯提高；③僅考慮混凝土本身的抗壓能力，加固后豎向承載力提高70%；④新增部分截面受扭塑性抵抗矩Wt是原截面的1.27倍，所以結(jié)構(gòu)抗扭能力也顯著提高。

對(duì)于墩柱考慮撞擊力時(shí)按偶然組合計(jì)算，荷載組合為：永久作用標(biāo)準(zhǔn)值+縱向撞擊作用標(biāo)準(zhǔn)值+汽車(chē)荷載頻遇值，撞擊力按1 000 kN取值，汽車(chē)荷載頻遇值系數(shù)取0.7。采用有限元軟件Ansys建立橋墩的實(shí)體有限元模型，混凝土采用solid185單元考慮材料的非線(xiàn)性，用DPC模型模擬混凝土結(jié)構(gòu)分析，鋼筋和箍筋采用link180建立，并考慮梁體支座的彈性約束，加固后的外包鋼板采用SHELL61單元附在混凝土實(shí)體單元表面，并考慮材料按雙線(xiàn)性模型進(jìn)行輸入。計(jì)算時(shí)，永久荷載及汽車(chē)頻遇荷載按節(jié)點(diǎn)荷載施加，撞擊力考慮材料非線(xiàn)性按時(shí)間步均勻逐步施加。

計(jì)算結(jié)果顯示，墩身加固前，加載至0.17 s以后，結(jié)構(gòu)不再收斂，可判定為橋墩開(kāi)始產(chǎn)生裂縫，總時(shí)間為1 s，即撞擊荷載加載到約170 kN時(shí)墩柱開(kāi)始發(fā)生破壞。加固完成后，橋墩結(jié)構(gòu)完全能夠承受車(chē)輛的沖擊荷載作用，此時(shí)墩柱的應(yīng)力云圖如圖5所示?？梢?jiàn)，墩柱加固完成后，在1 000 kN的撞擊力作用下，混凝土拉應(yīng)力為1.86 MPa，小于混凝土的抗拉強(qiáng)度；外包鋼板的應(yīng)力21.4 MPa，遠(yuǎn)小于鋼材的屈服強(qiáng)度，墩柱抗扭承載能力提升顯著。

圖5 橋墩拉應(yīng)力云圖(單位：N/m2)

5 結(jié)束語(yǔ)

論文從石家莊某獨(dú)柱墩橋受車(chē)輛撞擊產(chǎn)生的蓋梁及墩柱病害分析入手，通過(guò)對(duì)比原位拆除更換法及增大截面法，提出不間斷運(yùn)行條件下獨(dú)柱墩加固方法。橋梁加固后多年的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，壓力注漿和截面增大相結(jié)合是在不中斷交通的情況下較好的加固方式，既保證了運(yùn)營(yíng)安全又能節(jié)約維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。