双柱式花瓶墩横梁剪切破坏加固研究

吴 超

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

双柱式花瓶墩线形流畅美观，在城区桥梁建设中经常应用。双柱式花瓶墩横梁破坏多以受拉力破坏开裂为主，支座位于桥墩横梁上由于偏载而产生剪切破坏较为少见，本文以某桥梁双柱式花瓶墩横梁呈现八字形裂缝为项目背景，通过个案分析提出加固思路。

1 工程概况

某城市快速路一座桥梁总长860m，主桥独塔单索面悬索桥，主跨桥梁为40m+50m+2×100m+50m+40m，左幅及右幅的引桥都是预应力混凝土箱梁，总长240m(4×30m+4×30m)，双向6车道，设计荷载为城-A级[1]。主桥与引桥交界处下部结构为双柱式花瓶墩，主桥支座设置于桥墩横梁上，引桥支座设置在花瓶墩的两个墩柱上，结构形式如图1所示，结构计算时桥墩横梁高度取1.2m。墩柱为C40混凝土，桥墩横梁顶设置52根32mm、26根25mm二级钢筋；横梁底设置52根28mm二级钢筋；箍筋为8肢16mm二级钢筋。

该桥于2009年建成通车，在2013年养护单位对该桥梁例行检查时，发现主桥、引桥交界处4个花瓶墩横梁在主桥支座侧均出现八字形裂缝，裂缝由桥墩横梁底向横梁顶发展，引桥侧及横梁底部暂未观察到裂缝，双柱式花瓶墩横梁裂缝形状及分布位置如图2～图3所示。

图3 裂缝立面图(单位:cm)

图2 现场裂缝照片

2 裂缝原因分析

裂缝原因分析是加固设计的重难点，从图1可知桥墩横梁上面支座位于主桥侧1/2宽断面上，因此应考虑桥墩横梁的偏载影响。利用有限元软件提取1/2宽断面和全宽断面的内力值进行对比；抗剪承载力根据国内两本常用的混凝土结构设计规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[2](以下简称《公路桥规》)和《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)[3](以下简称《混凝土规范》)进行计算；通过有限元软件查看裂缝发展趋势。

图1 双柱式花瓶墩构造图(单位:cm)

2.1 荷载计算

(1) 纵桥向支反力计算

花瓶墩横梁裂缝分析得知，该桥横梁受水平荷载影响较小，因而仅考虑将竖向荷载参与计算。花瓶墩所受荷载除了本身自重外还承受从支座传递下来的荷载，因此建立主桥及引桥纵桥向梁单元有限元模型计算支座荷载，如图4所示。

图4 主桥纵桥向有限元模型

纵桥向恒载采用主梁自重、二期荷载，移动荷载采用城-A级车道荷载[1]。按照《桥涵通用规范》[4]第4.1.6条采用承载力极限状况组合，分析得桥墩横梁处主梁支反力13 498kN，引桥支反力3887kN； 桥墩横梁、墩柱、承台等其他自重荷载系数取1.0，各荷载值汇总如表1所示。

表1 荷载汇总表 kN

(2)剪力值计算

使用Midas Fea软件构建双柱式花瓶墩空间实体单元模型(图5)，采用线性静力分析，墩底为固结约束。由表1取得支座反力F1、F2值，支座反力通过支座垫石以均布力形式加载在花瓶墩上。经计算，主桥、引桥垫石上均布力分别为6886KPa、1983 KPa。

图5 双柱式花瓶墩实体有限元模型

软件分析运行后，提取靠近主桥侧1/2宽断面和全宽断面剪力值，分别为5100kN、6350kN。由提取的剪力值可知，桥墩横梁受偏载影响较大，大约80%剪力值由靠近主桥侧的1/2宽断面承载。

2.2 桥墩横梁抗剪承载力计算

根据《公路桥规》[2]和《混凝土规范》[3]描述，深受弯构件是指计算跨径l与高度h之比l/h≤5的受弯构件。花瓶墩横梁为刚构固结体系，计算跨径取支承中心距离4.8m，横梁高1.2m，跨高比为4.0，采用深受弯构件对横梁进行计算。

抗剪能力是决定深受弯构件承载力的关键要素，初步分析桥墩横梁出现斜裂缝破坏，其因是横梁主桥侧受偏载，从而产生剪切破坏。基此，分别采用《公路桥规》[2]及《混凝土规范》[2]中的深受弯抗剪承载力公式验算桥墩横梁，计算断面考虑偏载影响，采用靠近主桥侧的1/2宽断面进行计算，剪力值为5100kN。

(1)《公路桥规》[2]深受弯构件计算

基于双柱式花瓶墩横梁与墩柱为刚构结构，参照墩台盖梁构件对桥墩横梁验算。根据《公路桥规》[2]第8.2.6条，钢筋混凝土深受弯构件的斜截面抗剪承载力计算公式：

式中右侧为抗剪值Vk，各参数含义详见规范[2]，各参数取值如表2所示。

表2 《公路桥规》[1]深受弯抗剪公式参数取值

验算得抗剪承载力为3647kN，小于桥墩横梁的剪力值5100kN。

(2)《混凝土规范》[3]深受弯构件计算

根据《混凝土规范》[3]第G.0.4-2条验算桥墩横梁抗剪承载力，深受弯构件抗剪承载力计算公式：

表3 《混凝土规范》[3]深受弯抗剪公式参数取值

验算得抗剪承载力为3507kN，小于桥墩横梁的剪力值5100kN。

通过以上两种规范对抗剪承载力的计算分析可知，受桥墩横梁上支反力的偏载影响，在靠近主桥侧的1/2宽断面的抗剪承载力小于剪力值，抗剪承载力满足不了要求。该计算结果与现场实际情况一致，靠近主桥侧桥墩横梁出现八字形裂缝而引桥侧无裂缝。

2.3 裂缝趋势分析

通过Midas Fea软件构建总体应变裂缝模型，采用非线性静力分析。运行分析后，从图6裂缝模式图中可知，裂缝由桥墩横梁底边缘向上发展，主拉应力流方向基本上与八字形斜裂缝发展方向垂直。从裂缝分布图中也可看出，桥墩横梁仅在主桥支座侧呈现裂缝，引桥支座侧无裂缝，与实际情况相同。

虽然现场未发现桥墩横梁底部的竖向裂缝，但从图6裂缝发展趋势图中可看出，随着斜裂缝的出现，梁底也出现竖向裂缝，如果不对横梁进行有效加固，梁底及八字形裂缝将越来越严重，横梁将产生较大变形甚至出现脆性破坏。

(a)阶段1 (b)阶段2

3 加固方法比选

对于桥墩横梁受剪切破坏出现八字形裂缝，提高横梁的抗剪承载力常规的加固方法，一般有增大截面法、锚固钢板法、改变受力体系法等。

(1)增大截面加固法

在受损严重或强度降低较多的梁、板、柱等结构构件中经常用到该方法，它既提高了构件的强度也能提高构件的耐久性。该方法是通过增加原结构的截面积，同时在附加的截面积中增设钢筋，使得构件的抗剪承载力得以增长。但该方法对粘结强度要求非常高，既要保证新增的混凝土不易被剥离，又要能与原构件共同承受剪力，在实际操作中很难实施，而且质量无法得到保障。

(2)锚固钢板加固法

锚固钢板加固方法，即在构件外表面粘贴钢板，然后对钢板钻孔打入锚栓，以提高钢板与构件的粘结强度，解决易剥离破坏的问题。该工程桥墩横梁由偏载产生剪切破坏，对抗剪承载力提升幅度要求较高，而锚固钢板法对提高构件抗剪能力的幅度有限。因此，该方法对裂缝的开展虽然能起到限制、延缓作用，但并不能阻止裂缝发展，在设计使用年限内加固构件质量得不到保证。

(3)改变结构受力体系法

改变结构受力体系法，即通过增设传力构件，改变原构件传力路径，进而保护原受损构件的方法。针对双柱式花瓶墩的本身结构特点，采用在桥墩横梁下浇筑新立柱，改变原桥墩横梁受力体系，横梁上支座反力直接传递到新浇筑的墩柱上，再由承台将荷载传递到桩基础，横梁基本不再传递剪力，使得桥墩横梁的结构安全性及耐久性得到保证。

综之，上述几种常规的增加抗剪承载力方法，增大截面加固法和锚固钢板加固法，治标不治本，仅从提高抗剪承载力的层面考虑，并没有解决结构偏载问题；而且，两处加固方法对本次构件加固存在较多的不足，而改变结构受力体系法能够从根源上解决桥墩横梁构件的偏载问题，使横梁抗剪承载力得到保证，因此采用该方法对结构加固。

4 结构加固计算

根据双柱式花瓶墩的结构特点，可预测在横梁底浇筑立柱基本可行，但在桥墩横梁下新浇筑钢筋混凝土立柱增加了荷载，应对墩柱承台、桩基的承载力进行复核。支座反力按照表1中取上部结构自重及移动荷载组合值来计算更为保守。横梁偏载相对承台、桩基影响不大，下部结构复核计算时可不考虑横梁偏载的影响。

4.1 承台验算

承台验算按照仅考虑新浇中柱作用于承台且横梁支反力荷载全部通过中柱向下传递工况，新浇中柱自重678kN，主梁支反力13 498kN。根据《公路桥规》[2]第8.5条对承台的撑杆抗压、系杆抗拉及冲切进行验算，承台计算结果汇总如表4所示。

表4 承台计算结果汇总表 kN

根据计算结果可知，承台计算满足规范要求。

4.2 复核桩基承载力

桩基受到的全部竖向荷载Nh应小于[Ra]，Nh=F3+0.5qh，式中q为扣除浮力后每延米桩自重，h为桩长，经计算得Nh=13 738kN。

该项目桩基以中风化花岗岩为持力层，frk取值11.17MPa，c1取值0.5,Ap为2.545m2，在不考虑土层侧摩阻力仅考虑桩端基岩提供抗力的工况下，经计算，其承载力容许值为14 214kN，该值大于13 738kN，满足桩基承载力要求。

5 加固施工

新浇立柱施工工艺流程如下：施工准备→施工放样→承台顶新旧砼接合面凿毛、植筋→千斤顶对主梁卸荷→桥墩横梁植筋→浇筑中柱砼→桥墩横梁表面裂缝封闭处理→中柱砼养护→主梁回落→桥墩整体涂装。其中，绑扎钢筋如图7所示。

图7 绑扎钢筋现场照片

为了使桥墩横梁与立柱更好地衔接在一起，新浇立柱混凝土采用微膨胀混凝土，同时竖向主筋植入桥墩横梁。在对桥墩横梁底进行钻孔植筋时，横梁的承载力有所削弱；在浇筑横梁底中柱之前，对端横梁的支座荷载进行卸载。横梁卸载后，桥墩横梁变形恢复原状，随后浇筑墩柱，效果更好。因此，如何控制好上部端横梁顶升、卸载是施工过程的一个重难点。

顶升时，设备放置在横向两个墩柱上，向上顶升主桥端横梁，两个花瓶墩千斤顶同步顶升，不得出现高低差；横梁顶起过程，主桥桥面封闭交通，支座仅承受主梁恒载传递下来的竖向力8781kN。为避免上部端横梁向上位移使桥梁产生纵桥向次内力，上部主梁顶起时仅卸荷90%，即7903kN，严禁产生向上位移，支座与梁体不分离。一个桥墩处布置8个顶升设备，每个设备控制顶升力约990kN。施工及养护过程，确保各个相关设备性能良好及供电稳定。顶升设备选用顶升力范围不小于3倍控制顶升力的设备，顶升力分10级加载。

基于顶升设备在顶升过程中将对上部端横梁施加向上顶升力，因此，对横梁强度及应力进行验算。端横梁为预应力混凝土构件，总长37.5m，计算跨径21m，采用有限元软件建立梁单元模型，对端横梁承载力及上下缘应力进行计算。加固后现场如图8所示，计算结果汇总如表5所示。

图8 加固后现场照片

表5 上部端横梁计算结果汇总表

由表5中数据可知，顶升时，上部结构端横梁承载力及应力验算符合规范标准。

6 结论

(1) 偏载会使构件受力不均，应尽量避免出现偏载构件，如不可避免，设计过程其结构抗力应充分考虑偏载影响。

(2) 桥墩横梁多为深受弯构件以抗剪脆性破坏为主，具有一定的不可预见性，因此支座等竖向传力构件应尽量避免设置在双柱式花瓶墩横梁上。

(3) 花瓶墩横梁抗剪加固，在条件许可情况下，推荐采用改变结构受力体系方法。该方法不仅从本质上优化了结构受力，而且结构在设计使用年限内质量更容易得到保障。