支墩顶升加固大跨盖梁技术的探索

赵 娟 黄正猛 张建平

（云南九达交通建设有限公司,云南 昆明 650000）

某公路桥梁多次跨越地方道路,部分交角较小的桥墩采用了门架墩,上部结构采用40m 跨径预应力T 梁结构,先简支后结构连续。门架墩盖梁长度有21m、30m 两种规格,为预应力混凝土构件,一侧墩梁固结,一侧墩顶设置可横向活动的盆式橡胶支座。在桥梁完成桥面铺装施工但尚未通车阶段,门架墩盖梁底面及两侧面出现不同程度的裂缝,21m 盖梁裂缝宽0.06～0.26mm,30m 盖梁裂缝宽0.2～1.2mm。经计算核实,门架墩存在支座承载力不足、盖梁安全系数偏低的问题,为确保门架墩结构的安全性和耐久性,需对门架墩盖梁进行加固处理。本文通过方案比选,结合现场实际条件,提出采用新增支墩顶升加固方案进行工程处治。

1 工程概况

21m 长度盖梁跨中高2.8m,端部高3.8m,横向尺寸2.2m,上部结构为5 片跨度40m 预应力混凝土T 梁,上部桥梁中心线与盖梁跨径中心线间距为4.275m；盖梁设置12 根7φs15.2mm 预应力,底部设2 排共34 根φ25mm 主筋,墩柱为2m×2m 矩形墩。

30m 长度盖梁跨中高3.5m,端部高4.5m,横向尺寸2.2m,上部结构为10 片跨度40m 预应力混凝土T 梁,上部桥梁中心线与盖梁跨径中心线间距为6.5m；盖梁设置12 根12φs15.2mm 预应力,底部设2 排共34 根φ25mm主筋,墩柱为2.4m×2m 矩形墩。

成桥后发现,门架墩盖梁出现多条裂缝,裂缝典型形态为盖梁底缘及侧缘横向贯穿裂缝,如图1 所示。

图1 盖梁裂缝示意图

各裂缝为横向裂缝,其中21m 盖梁最大裂缝宽度0.26mm,30m 盖梁发现多条宽度大于0.55mm 的裂缝,初步分析为盖梁正截面抗裂不足所致。

2 结构验算

采用有限单元软件Midas 对各类型门架墩进行验算,盖梁和墩柱刚接一侧采用刚性连接模拟,盖梁和墩柱设置支座一侧采用刚臂连接。分别计算上部结构的预制梁和湿接缝、桥面铺装、护栏等结构自重以及汽车等可变荷载作用下边梁和中梁的反力,施加于盖梁上。如图2所示。

图2 有限元模型示意图

2.1 主要计算荷载

2.1.1 根据上部40mT 梁相关图纸计算上部结构自重如表1。

表1 上部T 梁结构自重表

2.1.2 按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）计算车道荷载作用下次边支点反力如表2。

表2 车道荷载反力计算表

车道在盖梁对应的桥面加载范围内根据影响线加载,汽车冲击系数取0.35,两车道内车道折减系数为1,三车道以上取车道折减系数0.9。

2.1.3 门架墩均匀升降温按±25℃计算。

2.2 计算结果

经计算核查,桥墩盖梁抗弯承载力不足,成桥阶段盖梁截面下缘拉应力均大于1.15ftk’=2.59MPa,如表3。

表3 门架墩盖梁主要计算结果表

同时,计算成桥阶段支座反力已远大于盆式支座承载力,说明支座承载力不满足结构受力需要。

3 盖梁处治方案比选

3.1 处治要点

3.1.1 经验算,盖梁抗弯承载力不足,但抗剪承载力可满足规范要求。因此,盖梁处治以加强盖梁纵向配筋提高抗弯承载力或降低弯矩为主。

其中,30m 盖梁已进入屈服阶段,应采用主动加固措施,减低钢筋应力和混凝土压应力,对盖梁进行钻孔等局部破坏性作业前,应对盖梁进行临时支撑,以确保安全。

3.1.2 各盖梁支座已破坏,需进行更换并加大支座型号。

3.1.3 桥梁位于高烈度抗震设防区（Ⅷ度,地震动峰值加速度0.2g）,门架墩在一联桥墩中承受水平力较大,而桥墩主筋配筋率配置偏低,不利于抗震。

因此该类型盖梁处治时,不宜过多加载或扰动梁柱刚接点,以免地震作用增大较多或结构抗震承载力降低。

3.2 处治方案

由于上部结构铺装已完成,盖梁拆除重建施工难度大、造价高、工期长,因此主要采用加固处治方案,确保结构安全可靠。由于本项目盖梁高跨比较大,刚度和抗剪承载力均满足要求,不适宜增大截面法。

3.2.1 预应力加固法

在盖梁侧面和底面新浇筑混凝土,并通过植筋与原结构连接,并在两侧板和底板设置预应力钢束,达到增强结构承载力的目的。

该加固方法适宜于本项目各盖梁的加固,可根据各盖梁类型受力特点,调整预应力钢束配置和现浇层厚度；需注意排查影响预应力加固效果的因素,如支座、墩刚度等边界条件造成的预应力损失,新旧混凝土结合、新老混凝土结构协同受力等。

3.2.2 粘贴钢板加固法

采用螺栓和结构胶将钢板固定在盖梁侧面和底面,提高盖梁承载力。该方法造价低,但需在原结构大量植筋以确保钢板有效参与结构受力,因此提升承载力有限。

3.2.3 改变结构体系

通过增加支点、铰接改固结、简支变连续等方法减少结构内力,但是应避免支点附近的负弯矩超过抗弯承载力。本项目各盖梁为跨越地方道路而设,可采用在盖梁下增加支点、减小跨径的处治措施,降低结构内力。由于盖梁当前阶段钢筋及混凝土应力过大,采用增设支点法时,需对盖梁进行顶升,以达到减少盖梁内力,同时可以减少支座反力,降低支座更换难度。

4 盖梁处治方案设计

综合考虑造价、施工风险、难度、工期等因素,设计采用增设墩柱、在增设墩柱顶对门架墩盖梁进行顶升,同时在盖梁底部粘贴钢板的方案。

盖梁处治总体施工顺序为：混凝土裂缝处理→增加支墩处治→支墩预压过程中,原支座处顶升盖梁、更换支座→压力注浆粘贴钢板。

4.1 处治设计目标

4.1.1 裂缝处理

首先对盖梁裂缝进行处理,以减少顶升盖梁的变形量,避免T 梁因顶升开裂。对于裂缝宽度≥0.15mm 的裂缝采用压力注胶法,对于裂缝宽度＜0.15mm 的裂缝采用表面封闭法。

4.1.2 顶升力要求

结合现场下穿道路、地形等因素,合理确定支墩数量和位置,支墩宜尽可能靠近跨中布设以减少盖梁内力,根据支墩位置,选取合适的顶升力。

顶升力应能有效对盖梁卸载,同时不宜过大,以免盖梁上缘及上部T 梁开裂,顶升时盖梁截面上缘及T 梁应力需满足规范对于A 类预应力构件的抗裂要求。

根据微网的控制方式,当微网和主网并联运转时,超导磁场储能技术通过PQ控制方法,将有功与无功功率设定为零;若微网处在孤岛运转状态时,超导磁场储能技术可转变现有控制策略,转换为恒压恒频控制方法,进而保障微网孤岛运转过程中的电位与频率的稳定性,从而保障超导磁场储能技术下的实时调控和微网孤岛运转下的供电质量。超导磁场储能技术下的电磁储能架构如图3所示。

4.1.3 正常使用极限状态应力要求

由于盖梁已开裂,受拉区混凝土的拉应力得到释放、抗拉强度降为零,因此混凝土构件开裂前的拉应力不能与处治后的拉应力累加。所以,处治后的盖梁进行正常使用极限状态抗裂验算时,不宜采用适用于新建构件的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范》A 类预应力混凝土构件进行频遇组合、准永久组合下的拉应力验算,而应以处治完成后,新增荷载所产生的拉应力不超过规定值为控制目标。

因此,正常使用极限状态的抗裂验算,宜以处治完成后,新增荷载频遇值所产生的拉应力不超过0.7ftk=1.855MPa（参考A 类构件抗裂验算取值）,确保构件不再进一步开裂,保证结构的耐久性。

4.1.4 抗弯承载力要求

盖梁受拉区混凝土由于开裂及顶升卸载后,拉应力得到释放,同时对裂缝进行注胶封闭、梁底粘贴钢板、环氧砂浆抹面,可认为处治后受拉区混凝土现存拉应力接近于零,抗拉强度得到恢复,盖梁抗弯承载力得到提升,安全系数不低于1.2。

4.2 处治方案设计

利用Midas 进行计算,按照处治目标确定顶升力及粘贴钢板要求。模拟分析的主要施工阶段为：①浇筑墩柱、盖梁混凝土,张拉盖梁下层钢束,拆除盖梁支架；②架设上部T 梁；③张拉盖梁上层钢束；④施工各T 梁湿接缝；⑤施工桥面系、护栏等附属构造；⑥新增墩柱施工；⑦1.1 倍顶升力预压新增墩柱；⑧施加顶升力；⑨设置新增墩柱支座；⑩成桥运营,并考虑十年收缩徐变影响。

4.2.1 施加顶升力

对各门架墩增设支墩,结合墩距、盖梁卸载及应力情况选取顶升力。通过全桥模型及单独盖梁模型计算对比,顶升力作用效应约90%由盖梁承担,剩下10%由上部T 梁、防撞护墙及桥面现浇层组成的结构体系承担。

经计算确定21m 盖梁适宜施加顶升力4200kN,30m盖梁适宜施加顶升力7000kN,施加顶升力后,盖梁内力、应力情况如表4、表5 所示。

表4 新增支墩施加顶升力后盖梁内力表

表5 增支墩施加顶升力后盖梁应力情况表

通过计算可知,增设支墩施加顶升力后,盖梁弯矩设计值分别下降30%、47%,抗弯安全系数分别由0.6、0.8提升到1.1、1.2,盖梁下缘拉应力分别减少3MPa、8.35MPa。

4.2.2 粘贴钢板

在盖梁底部粘贴5 条30cm 宽、厚度为12mm 的Q420C 钢板,提高盖梁承载力。在Midas 计算时钢板根据强度等效成37 根φ25mm 钢筋作用于盖梁截面下缘,同时根据《公路桥梁加固设计规范》6.2.2～6.2.3 条内容,考虑盖梁预应力作用,计算粘贴钢板后的抗弯承载力,两种计算结果对比如表6 所示。

表6 增支墩施加顶升力粘贴钢板后盖梁承载力情况表

通过计算可知,钢板等代成强度等效的钢筋与钢板计算基本一致,粘贴钢板后,盖梁抗弯承载力安全系数提高到1.2 以上,达到治理目标要求。

4.2.3 正常使用极限状态应力验算（表7）

表7 处治完成后盖梁正常使用极限状态应力表

处治完成后,新增荷载作用的应力即为汽车荷载作用效应频遇值,均小于1.855MPa,因此,在新增荷载作用下,构件不会进一步开裂,满足正常使用极限状态正截面抗裂要求。

4.2.4 支反力计算（表8）

表8 新增支墩施加顶升力粘贴钢板后盖梁承载力情况表

5 结论

本文通过对门架墩大跨盖梁开裂进行计算分析,结合实际情况,对几种加固方法进行比选,提出采用新增支墩顶升加固盖梁的方案,得出主要结论如下：

5.1 盖梁承载力不足产生裂缝,其处治应以加强盖梁纵向配筋,提高抗弯承载力或降低弯矩为主。

5.2 采用支墩顶升加固盖梁改变结构受力体系的加固方法可有效降低盖梁内力、减少支座反力,同时节约造价。

5.3 桥梁上部结构、防撞护墙及桥面现浇层组成的结构体系会承受部分顶升力作用,顶升力的选择应考虑上部结构体系的影响。