某连续T 梁桥桥墩病害分析及维修加固设计

马宇平

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510507）

1 工程概况

某大桥桥跨布置为4×30m 连续T 梁桥，为软土路基改桥的其中一段。过渡墩墩号为125#、129#；连续墩墩号为126#～128#。经查阅资料，126#墩设有固定支座，127#、128#墩设有单向支座。其中，126#墩桩基础在2011年8 月进行了加固，桩基加固形式为在原桩基顺桥向两侧各增加一根直径D120cm 桩基（按嵌岩桩设计），桩顶设置整体式承台与原结构连成整体，承台高度为250cm，内设“井”字形预应力精轧螺纹钢。加固后，墩柱实际高度由6.4m 变为2.2m。

桥梁第二、三孔处于河中，即127#墩、128#墩为水中墩，在126#、127#墩之间设有堤岸平台。

经检测，发现该联桥梁左、右幅126#墩大桩号侧承台顶附近位置均出现了多条较明显的裂缝（最大裂缝宽度可达1.6mm），小桩号侧墩柱混凝土有压弯破损现象，其余墩柱均未发现类似情况。裂缝宽度已超出规范要求（I、II类环境钢筋混凝土构件最大裂缝宽度不应超过0.2mm），说明原墩柱配筋已不满足现状受力要求。裂缝为加固后近期检测发现，考虑原结构施工至今约10年时间，可认为结构收缩徐变已完成，在相关计算中不考虑收缩徐变的影响。

经查阅相关资料，本墩柱纵向主筋为28 根φ20mm HRB335 钢筋，沿圆周均匀布置。病害情况见图1、图2。

图1 R126-1#墩深侧面裂缝

图2 L126-1#墩深侧面裂缝

2 病害分析

本联桥梁结构形式较为简单，桥墩采用连续支承体系。导致墩柱底部产生裂缝的原因可能有以下几个方面：施工初始缺陷、汽车制动力的影响、体系温差的影响、基础土压力的影响、现状墩柱偏心的影响。

2.1 施工初始缺陷

下构施工完成后，桩柱并未完全竖直或未处于同一竖直线上，待上构施工完成在运营状态下，自重及活载产生的竖向力由于偏心的影响产生弯矩，最大弯矩出现点可能在桩柱交界点附近，甚至可能已产生了裂缝。由于桩基埋在土层以下，无法对此进行检测判断，但无法排除该因素的影响。

2.2 汽车制动力的影响

运营过程中汽车产生的制动力为水平力，作用在桥面以上。通过力的传播可对桩柱产生弯矩，而弯矩最大点可能位于墩柱底附近。弯矩的产生不受下构加固的影响。左、右幅汽车制动力作用方向相反，各自产生弯矩的方向因此相反。但从检测结果可知，左右幅桥墩裂缝均出现在同侧，可以排除制动力对裂缝产生的影响。

2.3 体系温差的影响

桥梁施工完成后受每年气温升降的影响，上部结构因而热胀冷缩。本桥在126#墩顶设有固定支座，其余桥墩纵向均未约束，因此理论上体系温差并不能对126#桥墩产生弯矩作用。但存在一种普遍的现象：伸缩缝存在泥沙堵塞、橡胶止水带局部破损现象，不能自由伸缩变形；其余墩柱支座本身由于长期暴露在大气中有所损耗，性能弱化，产生较大的纵向摩阻力，在一定程度上阻止了支座的纵向变形。对于这些现象，若发生在大桩号侧，当体系升温时126#墩柱承台顶位置将产生较大的弯矩。

2.4 基础土压力影响

127#墩、128#墩处于水中，在126#、127#墩之间设有堤岸。查阅资料，126#桥墩基础加固后承台顶标高为7.0m，而且该位置往小桩号侧有大范围的较为平整的人工填土，填土标高约7.0m。据观测，岸边平台标高约5.5m。河床底标高约-1.0m。受填土及堤岸高差的影响，可能对下构基础产生朝向河边的侧土压力，从而对桩基础产生一定的影响[1-2]。

通过建模计算，考虑2.5m 人工素填土、5.5m 杂填土的土层差，据此计算墩柱基础侧面承受的土压力。经计算，填土对下构基础产生的土压力合力为609kN，朝向河边，作用点距离承台顶往下约5.3m。

土压力计算参数分别如下所示：素填土土容重γ=19kN/m3，土粘聚力c=16kPa，土内摩擦角φ=19°；杂填土土容重γ=19kN/m3，土粘聚力c=15kPa，土内摩擦角φ=20°。

如2.3 节所述，本桥在126#墩顶设有固定支座，其余桥墩纵向均未约束，理论情况下土压力并不能对桩顶以上承台和墩柱产生作用[3]。但假如上构纵向变形受限，此时土压力将会产生不利影响。

2.5 现状墩柱偏心的影响

根据检测报告，126#墩墩顶小桩号方向有一定的偏心，约3cm。由计算模型可知，结构自重下墩顶竖向反力约4000kN，在承台顶位置处产生弯矩约120kN·m，对墩柱影响较小。

2.6 影响因素总结

综上所述，对桥墩产生裂缝的可分析的因素中，首先可以排除汽车制动力的影响，其次施工初始缺陷和墩柱偏心的影响对裂缝的产生有一定的影响，但受条件所限，影响大小未能准确地评估。

假如上构纵向变形无约束，鉴于结构体系的特点，体系升降温和土压力并不能对墩柱产生影响。但如果上构纵向变形由于伸缩缝的堵塞或支座变形受限的原因受约束，体系升降温和土压力将对墩柱产生影响，产生的弯矩最大点位于承台顶处。

目前墩柱已发现裂缝，综合比较各因素，上构纵向变形受限条件下，体系升降温和土压力影响开裂的可能性较大。

3 仿真分析

3.1 边界条件模拟

采用有限元软件Midas 进行建模计算，126#墩设有固定支座，127#、128#墩设有单向支座，由于伸缩缝存在泥沙堵塞、橡胶止水带局部破损现象，不能自由伸缩变形；且支座本身由于长期暴露在大气中有所损耗，性能弱化，产生较大的纵向摩阻力，在一定程度上阻止了支座的纵向变形，从而假定在129#增加X 方向约束。126#墩柱顶端与主梁采用刚臂连接，固定支座采用弹性连接模拟（SDx、SDy、SDz=108kN/m），桩侧土摩阻力采用土弹簧进行模拟，桩底采用固定支座，129#墩采用一般支撑（约束桥梁纵向、横向和竖向变形），其余墩处采用一般支撑（约束桥梁横向和竖向变形，纵向可自由变形）。空间有限元模型及边界条件模拟如图3 和图4 所示。

图3 空间有限元模型

图4 边界条件模拟

3.2 设计荷载

设计荷载：（1）恒载：结构自重、整体化层、调平层等；（2）汽车活载：按单向3 车道加载，并考虑冲击力的影响；（3）汽车制动力：按单向3 车道考虑；（4）温差效应：整体升温20℃；（5）土压力。

3.3 计算结果

工况一：整体升温20°。在整体升温20°工况下承台顶以上墩柱弯矩约3074kN·m，对裂缝产生有较大的影响。

工况二：土压力。在土压力工况下承台顶以上墩柱弯矩约1084kN·m，对裂缝产生有较大的影响。

从midas 读取组合后的弯矩、剪力内力值，M=6121.9kN·m，N=6924kN，经查阅相关资料，本墩柱纵向主筋为28 根φ20mmHRB335 钢筋，沿圆周均匀布置。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）计算得知原墩柱弯压承载能力、抗裂均不满足要求[4]。

4 加固设计

基于上述墩柱病害原因分析和墩柱计算结果，针对126 号墩柱倾斜以及底部产生裂缝的病害，经综合分析提出以下加固设计思路：（1）清理伸缩缝处泥沙，更换橡胶止水带，恢复伸缩缝自由变形功能；（2）更换耗损支座，使支座发挥纵向变形功能；（3）墩柱包大，加强配筋（裂缝出现在墩柱与承台交接处，粘贴钢板施工难度大，效果差，且粘贴钢板仅适应于承载能力相差不大的情况，故对本桥采取增大截面加固的方案[5]）。

通过恢复伸缩缝和支座变形功能，从而减小整体升温和土压力的影响。通过增大原墩柱截面、增加受力钢筋，以提高柱墩的承载能力和抗裂性能。原墩柱直接为D130cm，外包25cm 厚混凝土后墩柱直接为D180，配置30 根φ28mm HRB400 钢筋后，抗弯承载力为9371kN，裂缝宽度为0.11mm，墩柱弯压承载能力、抗裂均满足《公路桥梁加固设计规范》和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求。

5 结束语

综上所述，本文得出以下几点结论：

（1）当连续梁桥墩柱出现裂缝时，首先需判断伸缩缝、支座是否正常工作。

（2）对于连续梁桥，理论上体系温差并不能对桥墩产生弯矩作用。但当伸缩缝、支座不能正常变形时，将对墩柱产生较大的弯矩。

（3）当主梁纵向变形受到约束时，受河流水位变化影响，可能产生朝向河边的侧土压力，从而河边侧可能出现受力裂缝。

（4）对于墩柱压弯承载力和抗裂能力不足时，最有效的加固方式为增大墩柱截面、增加受力钢筋。