牛延斌
济南城建集团有限公司 山东 济南 250031
摘要：某市政道路桥梁地处软土地区，在通车运营18年后，部分墩柱出现不同程度的裂缝。为保证桥梁的安全运营，对该墩柱出现裂缝的原因进行了详细分析。基于此，设计了采用抱箍钢筋混凝土的加固方法对该墩柱进行加固。同时，采用数值分析方法，对比分析了开裂前、开裂后和加固后墩柱的受力状况。结果表明，采用抱箍钢筋混凝土加固方法对该墩柱进行加固在实际操作和改善墩柱受力方面均是可行的，可供同类型桥梁墩柱的裂缝处置与加固设计提供借鉴。
关键词墩柱；裂缝；加固；数值分析
1 工程背景
某市政道路桥梁地处沿海地区，工程地质情况属软土区域。桥梁全长2155.6m，上部结构主桥为主跨110m的预应力变截面连续箱梁桥，引桥为25m和35m跨径的预应力混凝土连续T梁桥。本文对墩柱出现裂缝的原因和危害性进行分析和探讨，并对墩柱裂缝的加固方案进行设计，同时采用通用有限元软件ABAQUS对开裂前、开裂后和加固后的墩柱受力状况进行深入分析，研究所设计加固方案的合理性和适用性。
2 墩柱开裂成因及危害性分析
2.1 墩柱开裂成因
（1）内因分析。该桥地处亚热带季风气候区域，紧邻入海口，夏季温度较高，为了施工方便，增强混凝土的流动性，需在混凝土中添加缓凝剂等外加剂。这样虽然改变了混凝土的凝固时间和流动性，有利于施工，但是削弱了混凝土的抗裂性能，这是诱使墩柱出现裂缝的因素之一。此外，对于桥梁墩柱等下部结构而言，由于其属于大体积混凝土，且通常要求一次浇筑完成，因此，在浇筑过程中，混凝土水化热的控制直接关系到墩柱浇筑质量的好坏。在混凝土浇筑过程中，当水化热得到有效释放，或后期养护过程中，混凝土内、外温差较大时，墩柱混凝土会发生约束变形，进而造成墩柱混凝土需承受较大的拉应力，当应力值超过混凝土拉应力时，墩柱混凝土就会出现开裂。
（2）外因分析。该桥址位于乌龙江峡口处，相比乌龙江河床其他断面，该位置河面宽度较小，从经济性角度出发，较适于修建桥梁。近年来，随着城市经济的发展和交通量的增加，城市间的交流也越来越紧密，对交通设施的要求也不断提高。因此，2008年以来，在桥址上、下游220m范围内，修建了3座铁路桥和1座市政道路复线桥，形成桥梁集群[2]，改变了该桥桥梁周边的水流流速、水位高低等，这不仅影响了该桥的桥址河床演化历程和墩柱的冲刷过程，而且也会在墩柱位置出现雍水现象，改变桥梁墩柱受力的原始设计状况。
2.2 危害性分析
根据该墩柱裂缝病害实际检测结果可知，裂缝包括结构性裂缝和非结构性裂缝，但是无论是何种裂缝，均会影响墩柱的受力性能和耐久性。通过对墩柱开裂位置进行检测分析，结果表明，墩柱裂缝宽度在0.11~0.21mm之间，开裂深度达9.2cm。通过对某一开裂位置进行一段时间的观测，发现墩柱裂缝宽度有逐步增长趋势，且在上部车辆荷载作用下，墩柱裂缝的宽度也会有所变化。由此可以看出，裂缝的存在不仅会影响墩柱的整体受力性能，同时也可能会危及桥梁的使用安全。
3 墩柱加固方案的设计
为保证桥梁结构的使用安全和提高其耐久性，根据《市政道路桥梁加固设计规范》（JGJ/TJ22—2008）的相关规定，桥梁部件出现的结构性裂缝和非结构性裂缝均应进行闭缝处理。在正式加固之前，要对墩柱开裂位置进行封闭处理，具体方案：①用小铲刀将封缝胶涂抹于墩柱裂缝上，胶体厚度和宽度分别约为1mm和25mm，涂抹过程中要避免气泡和孔洞的产生，同时要保证表面平整。②进行压力注浆，注浆顺序为：竖缝必须自下而上，水平裂缝可取任意一端为注浆嘴。为保证所注入的浆体能够充实裂缝，达到封缝效果，注浆压力通常需控制在0.3MPa左右，注浆速度也不应超过0.1L/min。③在注浆完成7d后，对墩柱开裂位置进行超声检测，待封缝结果满足要求后，方可对墩柱作进一步处置。
4 数值分析
4.1数值分析模型的建立
4.1.1模型尺寸的确定
分析基本工况，包括开裂前、开裂后和加固后墩柱的受力状况。其中桥梁结构中的立柱、系梁和桩基按实际尺寸进行足尺建模。土体范围的确定是以尽量减少周围土体对模型计算结果产生影响作为基本原则，因此，土体平面尺寸取60m×69m，高度方向取桩底部再往下延伸4倍桩径，为44.6m。
4.1.2网格划分及接触模拟
立柱、桩基、土体、抱箍钢筋混凝土均采用ABAQUS中常用的六面体单元。为了提高计算效率，采用分区域划分网格，在墩柱开裂和后期加固位置，采用精细网格，而在其他非重点关注位置，进行稀疏化网格划分。此外，为了模拟墩柱已有裂缝，根据裂缝宽度，确定裂缝位置单元的尺寸，然后再根据裂缝的开展情况，删除裂缝位置的单元，由此近似地模拟墩柱混凝土的开裂工况。由于加固前对旧混凝土表面进行了处理，所以抱箍钢筋混凝土与旧混凝土接触相对较好，因此，抱箍钢筋混凝土与旧混凝土间采用共节点方式模拟两者间的接触。桥梁桩基与土体的接触方式采用滑动库仑摩擦模型进行模拟。
4.1.3材料本构的选取
对于墩柱混凝土而言，由于其在荷载作用下发生了开裂，所以墩柱混凝土本构关系采用Drucker-Prager模型，其中的相关参数取值根据墩柱的实测回弹结果进行确定。对于加固所采用的抱箍钢筋混凝土，考虑到注浆过程的隐蔽性和不均匀性，弹性模量取设计值的90%。
由于桩基不是本文研究的重点关注对象，桩基采用弹性本构模型，相关参数根据C25混凝土的设计值确定。
4.1.4边界条件
由于本文建立的数值分析模型所取土体范围足够大，因而土体周边的约束条件对桩基的影响是非常小的，土体周边可设置为约束土体四周的纵、横桥向的位移和土体底部设为固定边界，其余部分为自由边界。由于墩柱加固过程中，桥梁仍然在正常运营，因此，通过杆系模型计算求得墩柱承受上部结构传递过来的荷载，并施加在数值分析模型的墩柱上。同时，也考虑桩基所受的水流冲击荷载。
4.2 结果分析
4.2.1刚度分析
开裂后、开裂前和加固后三种工况下，墩柱开裂和后期加固对其横桥向位移和竖向位移的分布规律和数值影响较小，说明墩柱开裂和后期加固对墩柱的横桥向刚度和竖向刚度影响较小。与墩柱的横桥向位移和竖向位移相比，墩柱局部开裂对墩柱纵桥向刚度的影响明显，纵桥向位移由0.003mm增大至0.011mm。采用抱箍钢筋混凝土加固后，墩柱纵桥向位移降低至0.003mm。由此说明，采用抱箍钢筋混凝土施工工艺能够有效改善已开裂墩柱的纵桥向刚度。
4.2.2受力性能分析
在桩基和系梁相交区域一定范围内，墩柱应力值均大于混凝土抗拉强度，这与墩柱实际开裂位置基本对应，说明墩柱发生开裂是由于外部荷载引起的。墩柱发生开裂后，后期会有更大的区域潜在发生开裂的风险，这也是对该桥墩柱进行加固的主要原因。采用抱箍钢筋混凝土对墩柱开裂位置进行加固之后，能够降低桩基和系梁相交位置的应力值，除了极个别点由于建模的原因，而出现应力集中现象导致较大应力之外，应力值由3.88MPa降低至3.14MPa，下降比例约为19.1%。同时，该加固方法也能够减小潜在发生开裂风险的区域。通过对加固后的墩柱进行长期监测可知，加固后的墩柱后期尚未出现新开裂的裂缝。由此说明，采用抱箍钢筋混凝土对墩柱进行加固，能够有效改善墩柱的受力性能和提高墩柱的耐久性。
5结论
某市政道路桥梁墩柱发生开裂后，对墩柱的横桥向刚度和竖向刚度影响较小，而对纵桥向的刚度影响较大。同时，墩柱发生开裂后，后期会有更大的区域潜在发生开裂的风险，即墩柱发生开裂后，对其受力性能影响较大。抱箍钢筋混凝土加固方法不仅能够提高墩柱的纵、横和竖向刚度，而且能够改善桥梁的受力性能，减小潜在发生开裂风险的区域。此外，通过分析后期监测结果，证明了抱箍钢筋混凝土加固方法的适用性和可行性。
参考文献
[1]淳庆.某铁路桥梁墩柱加固设计[J].工业建筑,2010,40（10）:6-10.
[2]刘发水.乌龙江大桥桥群水流和冲刷特性试验研究[J].现代交通技术,2017,14（6）:27-29.
[3]市政道路桥梁加固设计规范:JGJ/TJ22—2008[S].北京:人民交通出版社,2008.
[4]孙天天,胡新玲.墩柱加固方案分析研究[J].山东交通科技,2020（1）:44-46.