提高花瓶式桥墩抗裂性和承载能力的新方法

     作者：郑晓蒙                                                                                                              

    本文以某城市高架桥花瓶式桥墩出现裂缝为工程背景，通过有限元实体建模进行应力分析，判断花瓶式桥墩开裂的原因，并提出采用预应力加固处理的设计方案。

    1工程概况

    某高架桥工程的起点桩号为K3+646，终点桩号K3+761，全桥长115 m，采用分离式左右双幅桥，每幅桥宽13 m。高架桥上部结构采用鱼腹式预应力混凝土连续箱梁，下部结构均采用花瓶薄壁式桥墩和群桩基础，桥跨布置为30 m+45m+30 m变截面预应力连续箱梁，其下部桥墩编号为Z1，Z2，Y1，Y2。设计荷载：城-A级。

    预应力混凝土箱梁采用050混凝土，钢筋混凝土薄壁墩采用C40混凝土，承台采用C30混凝土，钻孔桩采用C30水下混凝土。全桥上部结构施工采用满堂支架现浇一次落架成型。桥墩在设计中按照平面杆系结构进行配筋，桥墩顶部布置10B32横向受力主筋。

    该桥梁通车运营2个月后，在一次检查中发现4个桥墩侧面均出现不同程度的竖向裂缝，且在桥墩顶部贯通，裂缝宽度多在0. 2～0..3 mm之间，见图1。

    2花瓶式桥墩裂缝原因分析

    对4座桥墩裂缝形态进行仔细观察，不难发现，每条裂缝发展方向基本一致，且每条裂缝之间的距离基本相等，墩顶裂缝与桥墩两侧面竖向裂缝贯通。经分析，这种裂缝是典型的受力裂缝，桥墩顶部横桥方向受到很大的拉应力作用。

    采用有限元软件MIDAS FEA对桥墩进行实体建模，承台处进行固结处理。建模仅考虑混凝土作用，根据计算所得混凝土拉应力产生的拉力全部由钢筋承受来计算钢筋用量。

    按照承载能力极限状态进行计算，其支点反力组合设计值=1.2×恒载+1.4×活载=1.2×7 653+1.4×1 322 =11 034.4 kN.计算结果见图2。

    最大应力在梗腋倒角处，应力值为14. 02MPa，取桥墩中心线截面作为验算截面，各截面正应力值见表l，各截面正应力分布图见图3。

    其中应力正值为拉，负值为压。

    墩顶80 cm范围内拉应力面积S=3.269 MPa．m。 N=应力图中拉应力面积S×桥墩的厚度L=3.269  MPa×1.3 m=4 249.7 kN.

考虑该拉力全部由钢筋承受，所需钢筋面积为A=4 249.7 kN /280 000 kPa =0. 01517 m2.

    按原设计配B 32钢筋，至少需要(0. 01517 -0. 002 813)m2/0.000 803 84 m2 =19根。

    显然，桥墩顶部横向受力钢筋不足是桥墩产生竖向开裂的原因。

    3加固方案的选择

    3.1  常规加固方法

    (1)粘贴钢板加固法。用粘贴剂和锚栓将钢板粘贴锚固于混凝土结构受拉面，使钢板与加固混凝土结构形成整体，以达到提高结构承载能力的目的。

    (2)粘贴碳纤维布加固法。用树脂类材料把碳纤维布材或板材粘贴于混凝土结构或构件表面，形成复合材料体，通过碳纤维布与结构的协同工作，达到对结构补强加固及改善受力性能的目的。

    (3)预应力加固法。是采用在桥墩受拉区的两侧施加预应力束，达到抵消混凝土受拉区的拉应力和卸载的作用，从而较大幅度提高梁的承载能力。

    前2种加固方法施工简便，对桥墩外形改变小，由于仅在结构表面采取加固措施，是一种被动加固方法，只能承受活荷载作用，无法对恒载作用产生的原裂缝进行加固。第3种加固方法在增大截面的同时增设预应力束筋，通过提高结构预应力储备，从而能够抵消一部分由于恒载效应而产生的裂缝，提高桥墩的刚度和承载能力，是一种比较积极的加固方法。

    3.2加固方法的选择

    该桥墩顶部横向受力主筋数量不足是产生竖向裂缝的原因，经比选采用预应力钢束的加固法。先在花瓶薄壁墩两侧原混凝土表面凿毛和种植钢筋使新旧混凝土紧密连接为整体，将花瓶薄壁墩加厚和加宽形成新盖梁（见图4），在新增混凝土内部预留预应力管道，然后在薄壁墩横向两端张拉预应力钢束。

    每个盖梁设6×(8-15. 24)预应力钢束，沿桥墩横向布置（见图5），钢绞线标准抗拉强度

=1 860 MPa，所有钢束均采用单端张拉，钢绞线张拉锚下控制应力为=0.75 =1 395MPa。张拉采取控制应力和钢束伸长量双控，各钢束设计引伸量为3. 68 cm。

    由于桥墩加固施工期间不能中断交通，因此预应力张拉时，在张拉端前方施工支架上必须放置足够强度的挡板和安全网，以防止夹片及钢绞线飞出，伤及行人及车辆。

    3.3完成加固后效果

    按照承载能力极限状态，对加固后的桥墩重新进行实体建模计算，可见采用6×(8-15. 24)预应力钢束对桥墩施加张拉力时，墩顶出现拉应力区域不明显，表明墩顶施加了预应力后基本抵消了原桥墩存在的拉应力，加固方案取得了良好的效果。

    4结论

    (1)花瓶式桥墩因造型优美、节约桥下空间而广受大家的青睐，然而在设计过程中，采用平面杆系模型对其进行受力分析及配筋设计时，经常导致横向受力主筋数量不足的问题。

    (2)对于花瓶式桥墩这类受力复杂的结构，需要采用实体模型进行应力分析，并根据混凝土中产生的拉应力全部由钢筋承受的原则来配筋，才能满足结构设计的要求。

    (3)桥墩加固的方法很多．在实际应用中应根据裂缝产生的原因进行比选。在不损坏花瓶式桥墩美观的前提上，本文提出了采用增大截面施加预应力的加固方法，能有效改善花瓶式桥墩的应力状态，提高其抗裂性和承载能力。

    5摘要 

    以某高架桥花瓶式桥墩墩顶产生竖向裂缝为背景，运用有限元的方法对桥墩进行实体建模，通过对墩顶范围应力结果的分析，判断产生竖向裂缝原因为横向受力主筋数量不足。综合考虑目前桥墩裂缝几种常用加固方法的不同适用性，根据产生裂缝的原因，提出了增大桥墩截面施加预应力的加固方法，能有效改善花瓶式桥墩的应力状态，提高其抗裂性和承载能力。