陳振侃，葉嘉政，時(shí) 權(quán)，李培森，陳志榮，姜海波

(1.廣州交通投資集團(tuán)有限公司營運(yùn)分公司，廣州 511430；2.廣州廣明高速公路有限公司，廣州 511430；3.廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣州 510006)

0 引言

獨(dú)柱式混凝土橋墩是國內(nèi)城市道路使用較多的橋墩形式,具有造型優(yōu)美、適應(yīng)地形地物強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在以往的獨(dú)柱式橋墩設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)忽視偏心超載作用對(duì)橋梁安全的影響,而我國車輛超限超載現(xiàn)象又屢見不鮮，甚至有的超載高達(dá)200%～300%[1]。超載導(dǎo)致橋梁承載超出設(shè)計(jì)安全荷載之外，其偏心作用可能會(huì)使獨(dú)柱墩單支點(diǎn)體系橋梁出現(xiàn)傾覆事故,國內(nèi)已發(fā)生過多起獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故。

目前國內(nèi)針對(duì)獨(dú)柱式橋墩抗傾覆能力不足的情況，常用的橋墩加固方式有增設(shè)鋼托梁、增設(shè)墩柱、墩柱加寬等,其中增設(shè)鋼托梁加固法具有便于操作、結(jié)構(gòu)簡單、施工工期短等優(yōu)勢(shì)，得到廣泛應(yīng)用。增設(shè)抗傾覆鋼托梁就是在獨(dú)柱墩頂端設(shè)置鋼抱箍與原混凝土橋墩結(jié)合，再將鋼托梁通過鋼抱箍和獨(dú)柱式混凝土橋墩連接成整體的方式進(jìn)行受力，從而達(dá)到增強(qiáng)抗傾覆性能的目的。鋼托梁通過后錨式螺栓與橋墩連接，可以抵抗傾覆扭矩，將鋼和混凝土兩種材料可靠地結(jié)合在一起，是鋼—混凝土結(jié)構(gòu)中最為重要的核心。國內(nèi)外許多學(xué)者如杜浩[5]、劉中良[6]、蘇軍[7]、楊飛[8]、Gun up Kown[9-11]、Marko Pavlovi[12]、Y.T.Chen[13]等對(duì)由螺栓連接的剪力連接件抗剪性能進(jìn)行了研究，探究了螺栓類型、鋼材屈強(qiáng)比、螺栓直徑、螺栓預(yù)緊力、鋼-混凝土界面性能、埋置長細(xì)比等試驗(yàn)參數(shù)對(duì)其抗剪性能的影響。然而對(duì)新增鋼托梁與舊混凝土橋墩的螺栓連接研究較少。

1 工程概況

獨(dú)柱墩抗傾覆穩(wěn)定性問題已引起廣東省交通部門的高度重視。新化快速路多處橋梁采用獨(dú)柱墩形式，在較大偏載的作用下，獨(dú)柱墩橋梁可能發(fā)生整體傾覆。按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)[14]計(jì)算，長洲立交B匝道橋第二聯(lián)橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為1.8，小于規(guī)范2.5的要求，因此，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對(duì)抗傾覆防控措施的指導(dǎo)意見，提出長洲立交B匝道橋1#墩采用鋼托梁并在兩側(cè)增設(shè)輔助支座的加固方案。

如圖1和圖2所示,本方案需在橋墩上增設(shè)輔助支座，由于原橋墩墩頂不具備設(shè)置新增支座的條件，故需要對(duì)原橋墩墩頂進(jìn)行改造，即在墩頂增設(shè)鋼托梁。增設(shè)鋼托梁不僅受力能滿足要求，而且施工工藝成熟、重量輕、工期較短。對(duì)1#單支座獨(dú)柱墩增設(shè)兩個(gè)輔助支座，新增板式橡膠支座間距為1.0m+1.0m；支座反力通過增設(shè)鋼托梁傳遞至墩柱及樁基。增設(shè)輔助支座后，基本組合下原支座不出現(xiàn)負(fù)反力，支座均處于受壓狀態(tài)，橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為5.67，大于規(guī)范要求的2.5。增設(shè)支座后橋墩壓彎強(qiáng)度富裕度為153.3%，橋墩承載力滿足要求，本聯(lián)箱梁經(jīng)加固處理后抗傾覆穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。采用鋼托梁并增設(shè)輔助支座后，能確保在基本組合下原支座不發(fā)生脫空，特征狀態(tài)1滿足要求，故本獨(dú)柱墩加固方案可滿足規(guī)范要求。

圖1 加固設(shè)計(jì)立面(單位：cm)

圖2 加固設(shè)計(jì)側(cè)面(單位：cm)

2 鋼抱箍界面抗剪試驗(yàn)

本加固工程中鋼托梁通過鋼抱箍與獨(dú)柱式混凝土墩相連接，鋼抱箍與獨(dú)柱式混凝土橋墩之間的界面螺栓抗剪性能，是抗傾覆加固設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵。本試驗(yàn)?zāi)康氖欠治霾煌炷帘砻嫣幚矸绞健⒅步罘椒ê椭步畈贾玫葘?duì)界面抗剪能力的影響。

鋼抱箍的工作原理是橋面上的豎直外荷載作用于鋼抱箍的雙牛腿上，而由螺栓連接的鋼抱箍與混凝土橋墩界面在外荷載作用下產(chǎn)生抵抗剪切的豎向摩阻力，剛好與豎直的外荷載平衡，因此研究由螺栓連接鋼抱箍與混凝土界面抗剪承載能力十分必要。推出試驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^地反映抗剪連接件在靜荷載作用下鋼-混凝土界面的抗剪承載力，故本試驗(yàn)通過推出試驗(yàn)分析鋼抱箍與混凝土橋墩的界面抗剪承載能力。

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了4個(gè)試件，包括1個(gè)4根螺栓連接的、鋼-混凝土界面只做鑿毛處(C40-S400-N-4)的試件，1個(gè)4根螺栓連接的、鋼-混凝土界面做刷膠(環(huán)氧樹脂)處理(C40-S400-E-4)的試件，1個(gè)4根螺栓連接的、鋼-混凝土界面做灌漿(蘇博特Ⅱ號(hào))處理(C40-S400-M-4)的試件和1個(gè)8根螺栓連接的、鋼-混凝土界面做灌漿(蘇博特Ⅱ號(hào))處理(C40-S400-M-8)的試件。

試驗(yàn)采用 C40 普通混凝土，其28d立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為42MPa。鋼板采用 Q235，界面刷膠采用天津卡本粘鋼膠(環(huán)氧樹脂)，灌漿料采用江蘇蘇博特Ⅱ號(hào)灌漿料(環(huán)氧砂漿)?；炷林袃H有構(gòu)造鋼筋，鋼筋采用HRB400E。螺栓采用M20高強(qiáng)螺桿，試驗(yàn)參數(shù)包括：界面處理方式、螺栓的數(shù)量。具體的構(gòu)造與參數(shù)見表1～表3及圖3所示。

表3 螺栓強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度(單位：MPa)

圖3 試件構(gòu)造

表1 試件參數(shù)

表2 C40混凝土配合比(單位：kg/m3)

對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)現(xiàn)象、極限承載力、荷載-位移曲線等分析, 如圖4和圖5所示?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：觀察力-位移曲線，可判斷試件的工作過程。第一階段是彈性階段，在此階段，試件變形較小，所有試件增長曲線斜率基本接近，預(yù)加載時(shí)荷載不能超過彈性極限。第二階段是裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段，此時(shí)除了產(chǎn)生彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形，彈性模量降低。此時(shí)，內(nèi)部混凝土開始出現(xiàn)裂縫，變形開始增大。第三階段是裂縫不穩(wěn)定擴(kuò)展階段，此階段中，變形較大，裂縫快速發(fā)展，直到達(dá)到峰值荷載。而C40-S400-E-4在加載過程中，其中一根螺栓附近區(qū)域有環(huán)氧樹脂脫落，故在荷載達(dá)到800kN時(shí),發(fā)生了相比于其他三根螺栓的較大的豎向位移，所以其荷載位移曲線出現(xiàn)了水平段。

圖4 荷載-豎向位移曲線

圖5 承載力對(duì)比

本試驗(yàn)結(jié)構(gòu)對(duì)鋼-混凝土界面抗剪強(qiáng)度有大幅度的提高。C40-S400-N-4作為核心對(duì)照組,其界面只做鑿毛處理,它的極限承載力達(dá)到了1 003.85kN；C40-S400-E-4采用鋼-混凝土界面刷上天津卡本粘鋼膠(環(huán)氧樹脂)的方法,其極限承載力為1 482.86kN；C40-S400-M-4采用鋼-混凝土界面灌注蘇博特灌漿料的方法，其極限承載力為1 440.14kN。與核心對(duì)照組相比，C40-S400-E-4和C40-S400-M-4的極限承載能力均提高了145%左右。但采用鋼-混凝土界面刷環(huán)氧樹脂的方法，其膠層厚度難以準(zhǔn)確控制，且沒有較好的延性，破壞過于突然，不利于工程應(yīng)用。而蘇博特灌漿料具有較好的流動(dòng)性，能對(duì)鋼-混界面進(jìn)行較為均勻的填充，使其在荷載作用下，力能夠更加均勻地傳遞，避免出現(xiàn)集中受力的影響。在群釘?shù)淖饔孟?，顯然試件的承載力得到明顯的提高，C40-S400-M-8的極限承載力達(dá)到了2 654.54kN，與C40-S400-M-4相比,可以看出其承載力并不是隨螺栓的數(shù)量成倍增長的，而是有一個(gè)明顯的折減。

通過上述分析可得出，在本試驗(yàn)中，雖然由于鋼-混凝土界面刷膠處理的試件界面突然破壞而發(fā)生脆性破壞，但各個(gè)試件基本已達(dá)到預(yù)估的極限承載力。本次試驗(yàn)結(jié)果可以為本工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

3 試驗(yàn)值與規(guī)范值的對(duì)比

栓釘連接件為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中比較常用的剪力連接件，目前歐洲EC4[15]規(guī)范、美國AASHTO-LFRD[16]規(guī)范、中國GB50017-20017規(guī)范[17]和日本JSCE[18]給出了栓釘連接件承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。本文通過借鑒歐洲EC4[15]規(guī)范、美國AASHTO-LFRD[16]規(guī)范、中國GB50017-20017規(guī)范[17]和日本JSCE[18]栓釘連接件抗剪承載力的研究方法，同時(shí)參考Kwon[9]和Liu[19]給出的高強(qiáng)螺栓連接件抗剪承載力計(jì)算公式，各規(guī)范和文獻(xiàn)推薦公式及參數(shù)說明見表4。

表4 剪力連接件抗剪承載力的計(jì)算公式

表5將高強(qiáng)螺栓抗剪承載力的試驗(yàn)結(jié)果與利用各國規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)中推薦的抗剪承載力的計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，其中，PEC-4、PA、PG、PJ分別表示按照歐洲規(guī)范(EC4)、美國規(guī)范(AASHTO-LFRD)、中國規(guī)范、日本規(guī)范中連接件抗剪承載力計(jì)算公式計(jì)算的高強(qiáng)螺栓連接件的抗剪承載力，PK、PL為參考 Kwon和Liu文獻(xiàn)中的推薦公式計(jì)算的高強(qiáng)螺栓連接件的抗剪承載力，PT為高強(qiáng)螺栓連接件抗剪承載力的試驗(yàn)值。由表5可見，由美國規(guī)范(AASHTO-LFRD)中剪力連接件抗剪承載力計(jì)算公式計(jì)算出的高強(qiáng)螺栓連接件的抗剪承載力偏高，試驗(yàn)值與其的比值為1.05，采用美國規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備較小。而由歐洲規(guī)范、日本規(guī)范和Kwon提出的公式計(jì)算出的高強(qiáng)螺栓連接件的抗剪承載力是偏保守的，其中歐洲規(guī)范最為保守，試驗(yàn)值與其的比值為1.78。本文建議采用歐洲規(guī)范進(jìn)行螺栓承載力驗(yàn)算。

表5 各公式計(jì)算的抗剪承載力

(續(xù)表5)

4 鋼托梁螺栓承載力驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)[14]，在作用基本組合下，考慮汽車荷載效應(yīng)，分項(xiàng)系數(shù)為1.4時(shí)和廣東省高速公路獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋橫向抗傾覆驗(yàn)算指導(dǎo)意見(補(bǔ)充)通知的要求，考慮汽車超載工況，在作用基本組合下，汽車荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)為3.4時(shí)，對(duì)1#獨(dú)柱中墩增設(shè)輔助支座后的長洲立交B匝道橋進(jìn)行橫向抗傾覆驗(yàn)算，增設(shè)的鋼托梁單側(cè)所受最大外荷載P=1 780kN。

錨固螺栓采用公稱直徑為20mm的螺栓，鋼托梁共布置144個(gè)螺栓，鋼托梁側(cè)面36個(gè)螺栓驗(yàn)算外荷載剪力作用下螺栓承載能力，立面36個(gè)螺栓驗(yàn)算彎矩作用下螺栓承載能力，忽略兩邊受力的相互影響，在進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，驗(yàn)算結(jié)果會(huì)偏于安全。側(cè)面螺栓抗剪驗(yàn)算采用歐洲規(guī)范公式]計(jì)算，計(jì)算簡圖如圖6所示。

圖6 螺栓受剪切作用計(jì)算簡圖(單位：cm)

式中:Pu—栓釘?shù)目辜舫休d力；

d—栓釘有效直徑；

α— 縱橫比因子,本文取1；

γv—安全系數(shù)，取1.25；

Ec—混凝土的彈性模量。

nPU=36×180.19=6 486.84kN>1 780kN

因?yàn)樵鲈O(shè)鋼托梁加固后新增了兩個(gè)支座，當(dāng)一側(cè)支座承受較大外荷載時(shí)，會(huì)對(duì)鋼托梁產(chǎn)生較大的彎矩，因此必須對(duì)鋼托梁進(jìn)行彎矩驗(yàn)算。鋼抱箍立面螺栓距離外荷載較遠(yuǎn)，僅考慮鋼抱箍立面螺栓彎矩作用，結(jié)果偏安全。計(jì)算簡圖如圖7所示，最頂端外側(cè)螺栓距離螺栓群重心最遠(yuǎn)，因此該螺栓受力最不利，那么有：y1=800mm，x1=150mm。

圖7 螺栓受彎矩作用計(jì)算簡圖(單位：cm)

由《路橋施工技術(shù)手冊(cè)》[19]相關(guān)公式：

=137.98kN

=25.87kN

=157.19kN

式中:

xi、yi—任一個(gè)螺栓至螺栓群中心水平和垂直距離；

RMX—螺栓在水平方向的受力；

RMy—螺栓在豎直方向的受力；

RQ—外荷載分到每根螺栓上的力；

Rmax—螺栓承受的最大剪力。

螺栓抗剪驗(yàn)算滿足要求，鋼抱箍與橋墩采用螺栓連接，鋼箍與橋墩接觸面之間設(shè)置了新的填充層，填充層界面的粘結(jié)力和摩阻力能夠抵抗部分剪力，提高了安全性。在不考慮側(cè)面螺栓的作用下，螺栓強(qiáng)度也滿足彎矩作用下的強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

(1)經(jīng)驗(yàn)算，增設(shè)鋼托梁加固獨(dú)柱式混凝土橋墩的方法在采用鋼托梁并增設(shè)輔助支座后，能確保在基本組合下原支座不發(fā)生脫空，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為5.67，遠(yuǎn)大于規(guī)范值2.5，故新增鋼托梁在特征狀態(tài)1和特征狀態(tài)2均能滿足規(guī)范要求。本獨(dú)柱墩加固方案可滿足承載力和抗傾覆穩(wěn)定性的規(guī)范要求。

(2)由4個(gè)螺栓連接件抗剪性能推出試驗(yàn)可知，界面粘結(jié)能夠大幅度提高鋼-混凝土界面抗剪承載力，而且其承載力在群釘效應(yīng)的作用下，并不能隨螺栓數(shù)量的增加而成倍增加，而是有一個(gè)相應(yīng)的折減 。但是由于在鋼-混凝土界面刷環(huán)氧樹脂增強(qiáng)界面粘結(jié)的方法，其膠層厚度難以涂抹均勻，會(huì)出現(xiàn)局部剝落的現(xiàn)象，降低試件承載能力。通過分析，建議鋼-混凝土界面采用灌注高強(qiáng)砂漿處理。鋼抱箍界面抗剪試驗(yàn)可以直觀地反映界面處理、螺栓布置對(duì)試件極限抗剪承載力的影響，為工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

(3)通過各國栓釘連接件抗剪承載力計(jì)算規(guī)范和Kwon及Liu提出的高強(qiáng)螺栓連接件抗剪承載力計(jì)算公式與試驗(yàn)值的對(duì)比，美國規(guī)范計(jì)算所得的螺栓抗剪承載力偏高，安全儲(chǔ)備較小，歐洲規(guī)范、日本規(guī)范和Kwon提出的公式計(jì)算出的高強(qiáng)螺栓連接件的抗剪承載力是偏保守的，其中歐洲規(guī)范最為保守。建議采用歐洲規(guī)范給出的剪力連接件抗剪承載力計(jì)算公式作為螺栓連接件的抗剪承載力驗(yàn)算。

(4)采用歐洲規(guī)范栓釘承載力計(jì)算公式進(jìn)行螺栓承載力驗(yàn)算，鋼托梁側(cè)面均勻分布的36根螺栓的抗剪承載力達(dá)到6 486.84kN，大于鋼托梁單側(cè)所承受的最大外荷載，而且鋼箍與橋墩接觸面之間設(shè)了新的填充層，填充層界面的粘結(jié)力和摩阻力能夠抵抗部分剪力，滿足抗剪強(qiáng)度要求。外荷載產(chǎn)生的彎矩作用，對(duì)鋼托梁側(cè)面最不利位置的螺栓強(qiáng)度要求為157.19kN，低于螺栓的承載能力180.19kN，滿足彎矩作用下的強(qiáng)度要求。