在役城市独柱大悬臂桥梁撞击后损伤加固研究

许宏伟,周 洁，李 勇

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043;2.石家庄市道桥设施管护中心，河北 石家庄 050000)

采用独柱大悬臂盖梁设计的城市高架桥，具有上部桥面较宽、有效提高通行能力，下部占用土地面积少、可以充分利用地面空间且视野良好的典型特点，在城市桥梁设计中往往成为优先选择的结构形式。近年来石家庄市在役的独柱大悬臂盖梁高架桥累计已近20座，其中二环路高架、和平路高架、槐安路高架、中华大街高架等主要干道均有此种结构形式。但该种桥梁存在着整体抗倾覆能力较差、梁墩组合结构受力集中容易产生病害墩、支座受力不均易导致脱空及桥墩防撞和抗震能力差等问题[1-4]。如何对桥梁病害进行不中断行车条件下及时维修，尽可能降低对城市交通的影响避免产生二次事故，不仅能够节约相当大的加固或拆建费用，而且能够防止结构病害的严重发展、避免重大桥梁坍塌事故的发生，具有不可估测的经济效益和社会效益。

1 工程概况

石家庄市某高架桥，设计荷载城-A，双向四车道，设计时速80 km/h，标准桥宽17.5 m，上跨京广铁路，与原有立交相交处，设一对上下匝道，其东侧与原有立交主线相连；由于原有立交高度较低，该处桥墩高度仅5.87 m，墩柱、盖梁及基础截面尺寸如图1所示，盖梁下车道净空约5.2 m。该桥处于城市东西交通主干道上，交通量较大，桥梁的安全运营与否对城市交通出行有较大影响。

图1 墩柱、盖梁及基础截面尺寸(单位：mm)

2 盖梁及墩柱病害现状

桥梁下部结构常见病害主要有墩台身的横向竖向和网状裂缝，由于墩台身多为大体积混凝土，裂缝产生的主要原因是温差或者养护不当导致的收缩裂缝。对于城市独柱墩桥梁，为了尽可能的利用城市空间，桥下一般设有车道，超高超重车辆撞击盖梁的事件时有发生，由于独柱墩抗扭性能差，盖梁在外力撞击下，会对桥墩产生较大扭矩，从而导致墩身产生开裂。

该桥东西走向，HP-S139号墩柱由于东行重车超高撞击南侧盖梁底部，导致墩柱及盖梁存在裂缝及混凝土脱落、钢筋外露等损伤发生。其中，盖梁南侧底部混凝土损伤较为严重，底排部分钢筋及箍筋存在外漏、锈蚀的现象，部分竖向钢筋及箍筋存在断裂现象，盖梁南侧上部混凝土存在开裂现象；盖梁北侧无明显损伤。墩柱部分区域存在多条裂缝，裂缝宽0.2～1.5 mm、长140～1 480 mm不等，经钻芯取样检查，为贯通裂缝。

3 桥梁墩柱病害处理

3.1 盖梁病害处理

南侧盖梁混凝土损伤较为严重，盖梁下表面及倒角处损伤，经过分析病害对于结构受力没有明显影响，主要是对结构耐久性影响较大，处理方式为对表面混凝土剥落及破损处采用聚合物水泥砂浆修补，对生锈钢筋及断裂钢筋进行除锈及加固(补焊钢筋)处理，如图2所示。表面修补完成后粘贴1.4 mm厚碳纤维板对盖梁底面进行封闭处理，并在侧面粘贴碳纤维布条进行加强处理，详见图3。

图2 钢筋补强

图3 盖梁碳纤维板加强(单位：mm)

3.2 墩柱病害处理

3.2.1 加固方案比选

根据检测，墩柱裂缝为贯通裂缝，混凝土发生开裂，钢筋完好。根据现场交通量及墩柱病害情况，选取两种加固方案进行比选：第一种为原位拆除更换法，即在原墩身周围增加钢支撑代替原墩柱顶托梁体及盖梁，使原墩柱不承载，拆除原墩柱开裂部分，重新浇筑混凝土；第二种为对原墩柱裂缝进行表面封闭及压力注浆处理，然后采用增大截面法进行加固处理，即在原有墩柱周围浇筑一层混凝土，并用钢板进行包裹。

通过方案比选，增大截面法具有桥下封闭时间短、不需要桥上限行、施工难度及风险低的明显优势，最终选择增大截面法方案进行墩柱加固：首先对墩柱裂缝封闭或者压力注浆处理，然后采用增大截面法进行加固(如图4所示)，根据矩形截面受扭时长边中间首先破坏的特点，并结合行车道需求，顺桥向(宽度较大)厚度增加大于横桥向(宽度较小)厚度增加，增大截面部分采用CGM灌浆料浇筑。

图4 墩柱增加截面布置(单位：mm)

3.2.2 处理过程

(1)荷载卸除：墩柱加固前，由于仍然受到上部活载作用，裂缝处于不稳定状态。因此，墩柱病害处理前，施工中采用增加钢支撑的方式进行卸载处理，在横桥向墩身两侧增加钢管墩柱，通过液压千斤顶施加压力消除活载的影响。

采用梁格法建立两跨桥梁的整体模型，横隔板、梁体、桥墩及盖梁截面均根据设计截面确定，盖梁与桥墩之间采用刚性连接，盖梁与梁体支架采用受压弹性连接，两边跨支座位置直接施加约束，中间桥墩底部按固定端约束。根据移动荷载追踪分析结果，墩侧钢支撑需要支撑的荷载为1 220.23 kN，实际施工时为消除车辆影响，单侧钢支撑预顶荷载控制值为1 300 kN。

(2)墩柱裂缝处理：对墩柱裂缝宽度小于0.15 mm的裂缝采用封闭法处理，对于较深、宽度≥0.15 mm的裂缝采用压力注浆法处理。

(3)墩柱增大截面加固处理：构件结合面处理→

原结构上植筋及钢筋绑扎→原混凝土面清洁→模板支护及CGM灌浆料浇筑。其施工要点有：①构件结合面凿毛处理，凹凸差不宜小于6 mm，并露出粗骨料。②植筋需做抗拉拔试验，合格后绑扎钢筋，新增钢筋骨架应与锚筋连成整体。③在浇筑前清洗凿毛后的混凝土表面并保持湿润。④外包钢板焊缝需做探伤检查，外包钢板不能作为外模板使用。⑤CGM灌浆料浇筑时要加强检查，保证灌注密实。

4 实施效果分析

根据实施方案，加固后效果为：①墩柱裂缝通过封闭及压浆处理后截面竖向承载力满足要求；②墩柱外包处理后，截面面积增加了48.9%，且增加部分灌浆料强度达到C60，高于原墩柱设计强度C40，所以竖向承载能力有明显提高；③仅考虑混凝土本身的抗压能力，加固后竖向承载力提高70%；④新增部分截面受扭塑性抵抗矩Wt是原截面的1.27倍，所以结构抗扭能力也显著提高。

对于墩柱考虑撞击力时按偶然组合计算，荷载组合为：永久作用标准值+纵向撞击作用标准值+汽车荷载频遇值，撞击力按1 000 kN取值，汽车荷载频遇值系数取0.7。采用有限元软件Ansys建立桥墩的实体有限元模型，混凝土采用solid185单元考虑材料的非线性，用DPC模型模拟混凝土结构分析，钢筋和箍筋采用link180建立，并考虑梁体支座的弹性约束，加固后的外包钢板采用SHELL61单元附在混凝土实体单元表面，并考虑材料按双线性模型进行输入。计算时，永久荷载及汽车频遇荷载按节点荷载施加，撞击力考虑材料非线性按时间步均匀逐步施加。

计算结果显示，墩身加固前，加载至0.17 s以后，结构不再收敛，可判定为桥墩开始产生裂缝，总时间为1 s，即撞击荷载加载到约170 kN时墩柱开始发生破坏。加固完成后，桥墩结构完全能够承受车辆的冲击荷载作用，此时墩柱的应力云图如图5所示。可见，墩柱加固完成后，在1 000 kN的撞击力作用下，混凝土拉应力为1.86 MPa，小于混凝土的抗拉强度；外包钢板的应力21.4 MPa，远小于钢材的屈服强度，墩柱抗扭承载能力提升显著。

图5 桥墩拉应力云图(单位：N/m2)

5 结束语

论文从石家庄某独柱墩桥受车辆撞击产生的盖梁及墩柱病害分析入手，通过对比原位拆除更换法及增大截面法，提出不间断运行条件下独柱墩加固方法。桥梁加固后多年的运营实践表明，压力注浆和截面增大相结合是在不中断交通的情况下较好的加固方式，既保证了运营安全又能节约维修养护费用。