基于弯矩曲率分析的桥墩加固设计

游科华

（南昌市城市规划设计研究总院，南昌 330000）

1 引言

随着经济的发展和交通量的增大，载重等级也发生了变化。早期桥梁设计其指导思想注重于材料的节省，安全富裕度较低，加之部分旧桥老化、受损，已无法适应现在交通运输的要求【1】。通过加固桥梁，可以延长桥梁的使用寿命，以少量的资金投入，使桥梁满足交通量的需求。桥墩作为整个桥梁受力体系中十分重要的一环，一旦发生破坏，会引起桥梁整体或者局部的垮塌。目前，我国在桥墩加固和修复上已拥有多种类别的技术，在实际应用中可结合桥墩实际情况进行选择【2，3】。

本文以某高速公路上一个独柱式桥墩为例，验算了在现行规范荷载作用下其极限状态承载能力，提出了外包混凝土及外包钢板2 种加固方案。通过对加固后截面的弯矩曲率分析，计算了桥墩加固后的承载能力，并就2 种加固方案进行了综合比选。

2 工程概况

新津河大桥是某高速公路上一座跨河及跨路的大桥，桥梁全长917.24m，全桥共34 跨，桥面净宽2×11.25m，设中央分隔带，水泥混凝土桥面铺装。其中，第13～18 跨上部结构采用预应力混凝土简支T 梁，单跨跨径23m。单幅每跨由5 榀T 梁组成，桥面连续，6 跨1 联。其中，第16 孔跨越地方路，桥梁与地方道路交角为53.7°。本文研究对象为15#、16#墩，桥墩形式为独柱式墩，盖梁斜桥正做，盖梁中心线正交于桥梁设计线，与下穿道路斜交，盖梁结构形式采用大挑臂的预应力倒T 型盖梁。桥墩采用直径150cm 圆形截面，墩高约7.5m，桥墩基础采用2 根直径150cm 的桩基，承台高2m，顺着地方路行车方向埋置，如图1 所示。

图1 桥梁现场照片

3 计算模型及验算

结构计算利用Midas Civil 进行。按图纸建立桥墩计算模型，如图2 所示。

图2 计算模型

桩基按照等效嵌固理论，取3 倍桩基直径进行嵌固，近似模拟桩土作用【4】。计算中主要考虑恒载及汽车活载。本工程桥梁设计荷载为汽车-超20 级，挂车-120，考虑目前桥梁设计荷载较老规范有所增大，建模时活载按照现行JTG D60—2015《公路桥梁设计通用规范》中公路-Ⅰ级取值，考虑3 个设计车道，计入车道横向、纵向折减系数和冲击系数【5】。将恒载及活载下的最不利支座反力分别施加于盖梁支座位置。

按照JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》相关规定对桥墩进行压弯承载能力验算【6】。具体验算如表1 所示，由此可知其承载能力无法满足规范要求。

表1 桥墩压弯承载能力验算

4 墩柱加固方案及计算

为使桥墩能够满足极限状态下承载能力的要求，本文提出了外包混凝土及外包钢板并填充膨胀混凝土2 种加固方式。通过建立加固后的桥墩纤维截面进行弯曲曲率分析，评估加固后桥墩的极限承载能力以验证加固的效果。

4.1 方案一：外包混凝土增大截面

通过外包混凝土增大截面，提高桥墩的承载能力。外包混凝土厚度25cm，将原直径150cm 墩柱加大为直径200cm 墩柱，外包墩柱采用58 根φ25mm的主筋。加固一般构造图如图3 所示。

图3 外包混凝土墩柱加固方案图

建立桥墩截面的纤维模型对其承载能力进行验算，其中材料强度取设计强度，材料本构如图4、图5 所示。加固后墩柱的纤维截面划分如图6 所示。

图4 混凝土本构关系

图5 钢筋本构关系

图6 方案一加固后截面纤维划分

考虑到外包混凝土不承担恒载，对截面进行弯矩曲率分析时偏保守地取截面初始轴力为活载轴力（考虑结构重要性系数后活载轴力P=3 811kN），此时截面弯矩曲率如图7 所示。由图可知，截面的极限承载能力将近14 000kN·m，在达到极限承载能力之前截面仍基本保持弹性，刚度没有明显的退化。而桥墩基本组合下的最不利弯矩为9 241kN·m，故可认为本加固方案能够满足桥墩抗倾覆的要求。

图7 桥墩截面的弯矩曲率分析

4.2 方案二：外包钢板增大截面

通过外包钢板增大截面，提高桥墩的承载能力。外包钢板壁厚20mm，钢板与墩柱间留有8cm 间距以填充膨胀混凝土。外包钢板制作成2 个半圆形结构，然后在现场进行焊接，其与承台顶及盖梁底通过法兰盘连接。具体构造图如图8 所示。

通过建立桥墩截面的纤维划分模型对其承载能力进行验算，其中混凝土及钢筋材料强度取设计强度，其本构与方案一相同，钢板材料强度取设计值，其本构如图9 所示。考虑到钢板与原桥墩之间的混凝土仅为填充作用，计算不考虑填充混凝土的作用，加固后墩柱的纤维截面划分如图10 所示。

图8 外包钢板加固方案

图9 钢材材料本构关系

图10 方案二加固后截面纤维划分

考虑到外包的钢板不承担恒载，对截面进行弯矩曲率分析时偏保守地取截面初始轴力为活载轴力（考虑结构重要性系数后活载轴力P=3 811kN），此时截面弯矩曲率如图11 所示。由图可知，截面的极限承载能力将近27 000kN·m，在达到极限承载能力之前截面仍基本保持弹性，刚度没有明显的退化。而桥墩基本组合下的最不利弯矩为9 241kN·m，故可认为本加固方案能够满足桥墩抗倾覆的要求。

图11 桥墩截面的弯矩曲率分析

5 墩柱加固方案比选

结合施工难度、方案可靠性、经济性以及后期养护成本，对上述2 种方案进行综合比选，比选内容如表2 所示。最终以加固造价及养护成本作为首要考虑因素，推荐采用外包混凝土增大截面的加固方式。

表2 加固方案比选

6 结语

本文对某高速公路上一个独柱式桥墩进行了极限状态承载能力的验算，并对其进行了加固设计，得出以下结论：

1）按照现行规范对桥墩进行极限状态承载能力验算，桥墩压弯承载能力富余不足，存在倒塌风险，需进行桥墩加固。

2）通过对加固后的桥墩截面进行弯矩曲率分析，能够较好地反映加固后桥墩的受力特性，可为加固后的桥墩承载能力评估提供参考。

3）通过对桥墩外包混凝土或外包钢板并填充膨胀混凝土的方式均可以提高桥墩极限状态下的承载能力，本工程综合加固施工难度、方案可靠性、经济性以及后期养护成本，推荐采用外包混凝土的加固方式。