樁柱式橋墩病害表現(xiàn)及加固設(shè)計(jì)應(yīng)用

趙一波，蘇文明，郝林霞

（1.山東高速工程檢測有限公司，山東 濟(jì)南 250002；2.山東廣信工程試驗(yàn)檢測集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

引言

隨著我國交通運(yùn)輸事業(yè)的蓬勃發(fā)展，“十四五”期間又將迎來高速公路建設(shè)黃金期，對交通土建的建設(shè)速度及質(zhì)量控制提出了更高的要求。樁柱式橋墩由于不需要澆筑大體積承臺，減小了施工空間且施工工藝簡單，尤其是應(yīng)用于小跨徑裝配式T型梁、小箱梁等自重較小的上部結(jié)構(gòu)，得到了有效地推廣。與此同時(shí)，針對此種較為普遍的下部結(jié)構(gòu)型式，養(yǎng)護(hù)過程中的病害識別及加固處理變成一項(xiàng)比較重要的任務(wù)。

樁柱結(jié)合部受樁柱不同心、結(jié)合部鋼筋連接不規(guī)范、樁頭處理不當(dāng)?shù)葍?nèi)因影響，及受河道沖刷、橋面重載等外因影響，結(jié)合部一旦出現(xiàn)損傷，易出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降、墩柱傾斜、梁體偏位等表現(xiàn)病害。加固設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)墩柱、蓋梁病害嚴(yán)重程度，宜采用頂升梁體、更換蓋梁及墩柱的方案或頂升蓋梁、更換墩柱的方案或借助現(xiàn)有樁基施工承臺頂升蓋梁或主梁的加固方案[2]。

1 病害表現(xiàn)

1.1 橋梁概況

德上高速洙趙新河大橋左幅橋?yàn)?×（5×25）m的預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)，橋面全寬28 m。下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩、摩擦樁基礎(chǔ)，肋板式橋臺、摩擦樁基礎(chǔ)，采用板式橡膠支座。設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級（2004）。于2016年建成通車。

1.2 現(xiàn)場調(diào)查病害綜述

（1）6-1#墩柱（外側(cè)墩柱）與樁基相對偏位，結(jié)合部混凝土松散，主筋彎曲；（2）6-1#墩柱，距頂部0～3 m范圍內(nèi)，16條斜向裂縫，寬度為0.15～0.8 mm；6#墩蓋梁底面、高低樁號側(cè)，多條斜向裂縫，寬度為0.1～0.6 mm；（3）6#墩蓋梁縱橋向，外側(cè)向小里程偏位6.8 cm，內(nèi)側(cè)向小里程偏位1.2 cm外，呈扭轉(zhuǎn)形態(tài)；（4）6#跨主梁，5#墩頂位置，整體向外側(cè)偏位5.5 cm；5#墩頂支座向外側(cè)剪切約45°，6#墩頂支座向內(nèi)側(cè)剪切約30°；（5）結(jié)構(gòu)出現(xiàn)永久性變形，構(gòu)件出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，左幅橋總體技術(shù)狀況按重要部件最差評定為五類[1]。橋型布置見圖1～圖4。

圖1 樁柱結(jié)合部混凝土松散、主筋彎曲

圖2 6-1#墩柱、蓋梁斜向裂縫

圖3 5#墩頂主梁向外側(cè)偏位

圖4 5#墩頂支座剪切

1.3 成因分析

（1）柱狀結(jié)合部樁頭處理不當(dāng)，混凝土質(zhì)量較差，受河流周期性沖刷及橋面重載等影響，導(dǎo)致墩柱下沉，產(chǎn)生扭矩，主應(yīng)力達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度，致使橋墩及蓋梁斜向裂縫。（2）墩柱下沉，致使6#墩蓋梁向外側(cè)偏位及下沉，6#墩頂梁體相對滯后，向內(nèi)側(cè)偏位，支座向內(nèi)側(cè)剪切，5#墩頂向外側(cè)偏位，支座向外側(cè)剪切。（3）采用Midas建立有限元模型，模擬墩柱沉降工況，結(jié)構(gòu)變形與實(shí)際情況類似，外側(cè)墩柱高樁號側(cè)受拉，最大拉應(yīng)力4 MPa，與實(shí)際墩柱裂縫分布位置基本對應(yīng)。有限元模型及應(yīng)力云圖見圖5、圖6。

圖5 6-1#墩柱沉降工況結(jié)構(gòu)變形

圖6 6-1#墩柱沉降工況墩柱應(yīng)力云圖

2 加固設(shè)計(jì)

2.1 方案一（鋼管樁+貝雷梁支撐小箱梁）

本方案在6#橋墩兩側(cè)適當(dāng)位置新增鋼管樁作為支撐基礎(chǔ)，單側(cè)鋼管樁在順橋向?yàn)閮膳?，鋼管樁頂通過雙支H型鋼形成支撐平面，支撐平面放置千斤頂用于梁體頂升，千斤頂位于箱梁腹板下部，橫橋向每排設(shè)置8個(gè)，千斤頂上設(shè)置貝雷梁支撐小箱梁，可采用枕木設(shè)置與貝雷梁與小箱梁間，以滿足橫坡要求。方案一設(shè)計(jì)見圖7。

圖7 方案一（鋼管樁+貝雷梁支撐小箱梁）設(shè)計(jì)

由于此方案需進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，由原來的單支點(diǎn)支撐改為兩點(diǎn)支撐，結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果見表1。

表1 方案一結(jié)構(gòu)驗(yàn)算統(tǒng)計(jì)

2.2 方案二（鋼管樁+貝雷梁支撐蓋梁）

本方案在6#橋墩兩側(cè)適當(dāng)位置新增鋼管樁作為支撐基礎(chǔ)，單側(cè)鋼管樁在順橋向?yàn)槿牛摴軜俄斖ㄟ^雙支H型鋼形成支撐平面，支撐平面放置千斤頂用于梁體頂升，千斤頂放置鋼板以及穿過蓋梁底貝雷梁，為滿足橫坡要求，可采用枕木或其他措施調(diào)整橫坡[4]。方案二設(shè)計(jì)見圖8。

2.3 方案三（承臺+鋼管立柱支撐蓋梁）

以原橋墩兩樁基為支撐點(diǎn)，在原樁頭以下2.5 m澆筑平面尺寸為11.8 m×2.4 m厚2 m的承臺，承臺頂面設(shè)置鋼管立柱支撐蓋梁，鋼管立柱通過法蘭盤與承臺連接，每片小箱梁下設(shè)置兩個(gè)鋼管立柱[3]。方案三設(shè)計(jì)見圖9。

圖9 方案三（承臺+鋼管立柱支撐蓋梁）設(shè)計(jì)/cm

2.4 方案比選

三種方案優(yōu)缺點(diǎn)及綜合對比見表2。

表2 方案比選

橋梁采用方案二進(jìn)行加固，加固過程中支承蓋梁后開放橋面交通，減小了通行壓力，結(jié)構(gòu)安全可靠。

3 結(jié)語

（1）由于樁柱式橋墩為下部結(jié)構(gòu)型式，如果出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)裂縫、墩柱傾斜、梁體偏位等表現(xiàn)病害，應(yīng)主要考慮樁柱結(jié)合部質(zhì)量缺陷所致，需及時(shí)開挖樁基復(fù)核病害。（2）確認(rèn)結(jié)合部病害后，采用頂升蓋梁更換墩柱的加固設(shè)計(jì)方案，可確保不轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系，滿足保通要求。