桥梁下部结构承台加固设计验算与施工验证
2016-03-23
0 前言
从桥梁加固的部位来分，桥梁可分为上部结构加固、下部结构加固。桥梁下部结构加固常用方法有：扩大基础加固法、高压旋喷注浆加固法、钢筋混凝土套箍及外包钢板等。需要说明的是，这些加固方法的应用有的并不是单一的，必须根据实际情况来选择加固的方法或者相互结合使用，并且在这些方法的使用之前，必须先将桥梁的裂缝、麻面等病害处理完之后方才进行加固。
我国桥梁设计载重标准经历了标准由低到高的发展过程，原先设计规范标准较低，加上日益增涨的交通量，船体吨数越来越大，内陆河千万吨级船越来越多，造成对下部结构，尤其是桥墩承台相当大的破坏，一大批桥梁出现不同程度的病害，结构老化、破损、变形较大、开裂现象严重，承台的持荷能力明显下降，有相当一部分成为危桥，我国的桥梁安全状况不容乐观。
1 承台加固设计参数调查
桥属深水大跨桥，全长1264.98m。上部结构为9×25m预应力混凝土T型准连续梁+35.4m+11×50m+35.4m预应力混凝土箱型连续梁+17×25m预应力混凝土T型准连续梁，全桥分为5联，部分墩为水中墩；下部结构为钢筋混凝土双柱桥墩，墩柱及桩基之间以承台连接，桥台为肋型，下设承台。承台平面尺寸为6.4×5.2米，高2米，每个承台下设4根直径为φ1.5m的钻孔桩，承台底位于冲刷线以上，属于高桩承台。
桥下航道现在通行船舶在3000t，远大于设计五级航道标准，承台多次受到撞击，影响桥梁安全。
河道内的承台均有被船撞击的痕迹，部分承台最为严重，最大裂缝宽度达8mm；涨潮时裂缝浸没在海水中。下游侧裂缝存在典型的剪切缝；上游侧出现八字缝；现场检测有开合情况，表明裂缝还在发展中。
2设计理论计算
第一节1m混凝土浇注支反力计算结果
承台顶支反力计算，最大支反力为8.6t，考虑支点垫混凝土强度达10MPa、承台支点设计面积不少于100cm2能满足使用要求。为保证顶层2m高混凝土的浇注，各支点位置需植筋浇注支垫抬高不少于50cm。
考虑吊模受力的第二节2m高混凝土浇注计算
计算假设：①考虑侧面植筋机械锚固剪力，并承担第一节和第二节混凝土的重量；②不考虑新老混凝土粘结剪切受力；③不考虑承台底部混凝土的直接粘结作用；④考虑底部1m高混凝土抗压强度达到50%。
进一步假设新浇注的2m混凝土的重量不由侧面植筋承担，而由吊模承担，偏保守考虑为吊模结构设计的依据。
2m混凝土的重量为56t，由外围12根φ25的精轧螺纹钢筋承担，每根钢筋重约7.3t（考虑1.5的不平衡受力系数），单根φ25精轧螺纹钢的设计安全系数为3.2。
承台上横梁最大承压支反力为8.5t。承台上横梁最大拉应力为92MPa，最大位移9.8mm，小于允许值14.8mm，满足使用要求。
不考虑植筋机械锚固剪力及吊模受力的第二节2m高混凝土浇注计算
计算假设：①考虑底部1m高混凝土抗压强度达到50%；②考虑新老混凝土粘结剪切受力，并承担新浇注混凝土的重量；③不考虑侧面植筋机械锚固剪力；④不考虑承台底部混凝土的直接粘结作用。
采用C40普通混凝土浇注后2m加固段（流动性相对较小，侧模压力相对较小）。顶部2m混凝土浇注时，承台新老混凝土截面粗糙度为2mm―2.4mm时，底部1m高混凝土抗压强度应达到50%（不少于3天强度）时。按式（1）进行新老混凝土粘结剪切强度的上限计算
（1）
其中：ft1/MPa为老混凝土的抗拉强度；ft2/MPa为新浇自密实混凝土的抗拉强度；fc/MPa为新浇自密实混凝土的抗压强度；当粗糙度为2mm―2.4mm时，k2取为0.367。
计算新老混凝土粘结剪切强度的上限为2.5MPa,不考虑承台底部混凝土的直接粘结强度和剪力钢筋的作用，承台外新老混凝土结合面抗剪合力为2900t，(下部1m+上部2m)混凝土的重量为95t，计算安全系数为30。
计算表明，后期2m高混凝土浇注是安全的。
结论
（1） 按各种不利工况计算，第一节、第二节混凝土浇注时现有的吊模机构满足相关规范要求，14#桥墩承台外包混凝土采用吊模施工是可行的；
（2） 施工时，建议在迎潮侧增加模板内支撑钢筋；建议第一节1m混凝土浇注侧模底部固定于承台底部横纵梁上，顶部采用承台植筋拉杆固定；吊模安装时，先下置吊模安装模板，再整体提升吊模至设计位置，最后锚固吊杆固定。
3总体施工步骤
考虑到吊模钢筋混凝土施工的安全性和施工过程中操作难度的影响，拟采用在承台顶面设置C40混凝土垫块，垫块顶面预埋20mm后钢板。吊架铺设型钢梁与承台底面型钢梁，用25精轧螺纹钢筋作为吊杆，底模采用木模，采用在型钢梁上铺设工字钢作为支撑，承台底面植筋与底面钢筋网连接。侧模采用原有钢模板，上下层模板间夹木方，在承台侧模种植钢筋与拉杆进行焊接固定。侧模采用现有钢模与木方相结合的方式。
承台上吊模支架下设支架垫块垫于承台之上，并连接拉杆。利用拉杆支撑进行模板下部吊模支撑的安装，之后按照模板拼装图进行模板拼装。至此，吊模系统构建完成。
在承台顶面按实际要求布置C40混凝土垫块，尺寸为20*20*80cm，支撑垫块顶面预埋20mm后钢板，垫块及预埋钢板控制在同一水平面。混凝土垫块浇筑须在承台钢筋绑扎前进行。
安装时先进行承台顶面型钢梁平拼装，用支座反力将型钢梁固定，安装精轧螺纹钢拉杆，最后安装承台底面型钢梁，调平至同一水平面。
底模安装：为方便施工，底模全部采用木模进行拼装，木模下部支撑采用满铺钢管，钢管用拉杆与承台底面植筋连接。侧模安装：侧模采用承台侧面种植拉杆钢筋与模板外侧钢管进行锚固。
承台外包混凝土浇筑分两次进行，第一次浇筑高度为95cm的C40自密实抗渗混凝土，待2～3天后浇筑余下部分205cm高C40普通抗渗混凝土。
4 结束语
本文提出的承台吊模施工方案，有效的解决了承台混凝土强度不足、钢围堰施工困难及施工空间狭小等困难，实现了经济有效安全的目标，为相关工况下桥梁加固提供了较多经验。
随着旧桥年限增大及车船标准提高，旧桥越来越不能适应现代社会交通压力，通过各种桥梁加固方法，可以延长桥梁的使用寿命，用少量的资金投入，使桥梁能满足交通量的需求。
