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沙溪二桥空心薄壁过渡墩加固及计算分析
摘要：对沙溪二桥空心薄壁过渡墩，建立空间有限元实体模型进行了分析，阐述了墩帽产生过大裂缝原因。同时，提出了采用主动力加固方法，能够有限抑制裂缝发展，提高结构的极限承载能力和耐久性，加固效果明显，可以为同类桥梁设计提供参考。
关键词：空心薄壁过渡墩 墩帽 空间实体模型 裂缝 拉应力 主动力加固
一 前言
由于薄壁空心墩在应用上具有良好的强度和刚度，还具有一定的稳定性，在具体施工过程中还能够有效的减少砼用量、节约材料，因此得到广泛应用。空心薄壁过渡墩在一些大跨径桥梁中使用广泛，特别是在一些桥梁纵坡限制较严格的跨线桥和城市高架桥中，起到主桥和引桥的过渡作用。空心薄壁过渡墩墩身较矮，墩帽受力复杂，墩帽受力有别于柱式墩盖梁和没有墩帽的空心薄壁墩结构，在荷载作用下，墩帽在墩顶处会产生较大的拉应力。本文以沙溪二桥过渡墩为例，对其进行受力分析。
沙溪二桥是番禺大桥桥组的组成部分，沙溪二桥上部结构主桥采用45+70+45m三跨变截面PC连续箱梁，引桥上部结构采用35m简支预应力T梁和18.32m至22.2m不等跨的预应力连续板梁。下部桥墩共4个，其中过渡墩2个，编号为16、19号，主墩2个，编号为17、18号。其中过渡墩结构由墩帽，墩身，承台及桩基组成，桩基由2排共4根D120cm钻孔灌注桩组成。过渡墩每个墩顶设置4个支座，引桥和主桥侧各2个。设计荷载为汽车—超20级、挂车—120。该桥1998年8月18日竣工通车，近年来，连续几年的长期监测过程中，发现沙溪二桥16#、19#桥墩墩帽均存在竖向开裂，部分裂缝宽度较大，最大裂缝宽度达0.65mm，前期已经进行了裂缝的封闭处理，但是，经过一段时间后，封闭材料有老化、剥落现象而且裂缝有扩展趋势。为保证桥墩的结构安全性和耐久性，须对桥墩的裂缝产生原因进行分析，提出加固维修的方法。
图1.1过渡墩墩帽立面图和侧面图（单位：cm）
二、裂缝成因计算分析
2.1计算参数
C30混凝土弹性模量Eh=3.3×104Mpa，剪切模量G=3.3×104Mpa，泊松比μ=0.2，热膨胀系数α=0.00001。Ⅱ级钢筋：Rg’=Rg=340 Mpa，弹性模量Eg =2.0×105 Mpa。
根据纵向计算结果：引桥恒载和活载的支座反力值为： 2154.4kN和711.97kN；主桥恒载和活载的支座反力值为：2813.75kN和1982kN；按规范［1］进行荷载组合：1.2恒载+1.4活载。所以主桥边跨墩顶一个支座的反力值为： 4762.5kN；引桥墩顶一个支座的反力值为：3297.3kN。反力作用位置按支座范围均布力作用于墩顶。
2.2 计算模型
由于空心薄壁墩不同于平面杆系结构，受力相对复杂，增加了分析计算难度，所以这些异型桥墩计算分析要采用适当模型。因此，对桥墩裂缝成因分析需要建立空间模型进行空间分析，根据空间实体有限元计算理论，利用通用有限元计算程序MIDAS Civil程序，进行线形及应力的求解过程。图2.1为计算结构离散图，其中：墩帽、墩身和承台用空间实体单元模拟。建模时不考虑钢筋作用［2］。承台底刚接，不考虑墩台的沉降。
图2.1过渡墩结构计算模型
2.3计算结果和原因分析
图2.2桥墩应力图
由图2.2桥墩应力图可知，墩帽在两个支座之间部分位于受拉区，出现裂缝处混凝土的拉应力最大位置为墩帽与墩身交界处，为6.66Mpa，其中墩身区域墩帽间的拉应力为（2.17～6.66）Mpa，超过了C30混凝土抗拉设计强度1.75Mpa, 原墩帽只在顶部布置少数受拉钢筋（8φ28）（少筋区域），而在墩帽和墩身截面突变处增加了14φ28的短加强钢筋，此时墩帽顶得混凝土拉应力严重超限，拉力全部由钢筋承受。根据计算所得混凝土拉应力产生的拉力用钢筋拉力等效处理来计算钢筋用量［2］，同时反算钢筋应力，根据规范［1］中的理论裂缝宽度计算公式进行计算裂缝宽度，通过钢筋用量和裂缝宽度两方面进行理论与实际情况的对比发现，具体见图2.3和表2.1。
图2.3桥墩裂缝图
裂缝均发生在少钢筋区域（支座区域墩帽间），而这个区段配筋仅为8φ28，与反算配筋量15φ28远远偏少。同时墩帽的受力模式是弯拉构件，产生的裂缝是弯拉裂缝。同时，在收缩徐变作用、钢筋由于开裂而腐蚀等原因，裂缝不断地扩大发展。
三、维修加固方案
由于墩帽顶部受拉钢筋不足，导致了墩帽在拉应力作用下开裂，所以，要在墩顶（支座之间）增加受拉钢筋数量以提高结构的抗拉承载力。主要加固方法有以下三种：方案一：对桥墩墩帽采用增大截面及增加预应力钢束的方法进行加固；方案二：对桥墩墩帽采用粘贴钢板方法进行加固。方案三：对墩帽采用环包碳纤维的方法进行加固。
粘贴钢板法与碳纤维包裹法对桥墩外形改变小，施工工艺比体外预应力钢束加固法简单，但是这两种方法只能抵抗外来的活载作用而不能消除裂缝中已存在的桥墩自身恒载因素的影响。即在结构继续发生变形时加固效果显著．却无法对原结构裂缝进行补救，是一种比较被动的加固方法；而体外预应力钢束加固法由于预应力的作用可以将裂缝中的恒载效应抵消一部分，是一种主动的加固方法。
方案一从根本上解决桥墩产生裂缝的原因，改变墩身受力状况，既可以对已存在的裂缝有所补救；同时又能防止裂缝的发展和新裂缝的产生，故而优于前两种加固方法。经比选采用增大截面和体外预应力钢束的加固方法，在桥墩横向施加体外预应力束，配置3φs15.2预应力钢绞线(张拉力为1395KN)，构造示意图见图3.1。
图3.1桥墩墩帽预应力加固图
在过渡墩墩帽端部采用均布荷载施加上述预应力到实体单元上，经过计算，桥墩墩帽上的拉应力最大拉应力为0.9 Mpa，满足规范要求，加固效果明显，方案可行。
四、结论
空心薄壁墩不同于平面杆系结构，受力相对复杂，计算分析尽量采用适当空间实体有限元模型进行分析，该类型结构按平面杆系进行计算容易造成误差，导致配筋有偏差，同时，采用主动力加固后，能够抑制裂缝发展，提高墩帽的刚度，提高墩帽的极限承载能力，并提高结构正常使用的耐久性，加固效果明显，可以作为同类桥梁加固提供参考。
参考文献：
[1] 公路桥涵设计通用规范 JTJ021-89 [M].北京:人民交通出版社,1989.
[2] 康永臣 靳战飞. 花瓶形桥墩墩顶空间受力计算山西建筑，2007年 第33卷 第22期．
作者简介：彭勇均 1982.07，男，广东佛山，工学硕士，主要从事桥梁设计工作
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。