孔令元
【摘 要】在广东省独柱墩桥梁抗倾覆集中加固处治中,增设钢盖梁的处治方案因具有增加恒载小、工期短、施工对桥面交通影响小等优点而被广泛使用.但相对于混凝土盖梁,钢盖梁整体刚度较低,对辅助支座受力有不利影响.以广东西部沿海高速公路珠海段月环高架桥独柱墩加固工程为例,利用有限元法分析钢盖梁受力的可靠性,提出钢盖梁施工工艺的改进措施. 【期刊名称】《广东公路交通》 【年(卷),期】2018(044)004 【总页数】5页(P115-118,125)
【关键词】独柱墩桥梁;抗倾覆稳定性;钢盖梁;有限元分析 【作 者】孔令元
【作者单位】广东省公路建设有限公司,广州510623 【正文语种】中 文 【中图分类】U443.323 0 引言
近年来，桥梁倾覆破坏先于结构承载力破坏的现象时有发生，这固然于重载货车偏载密集排队有关，但不少独柱墩桥梁本身的抗倾覆稳定性也存在不足。在独柱墩桥梁抗倾覆集中加固处治中，增设钢盖梁因具有增加恒载小、工期短、施工对桥面交
通影响小等优点而被广泛使用。但相对于混凝土盖梁，钢盖梁的整体刚度较低，不利于辅助支座受力。
为检验增设钢盖梁方案的加固效果，本文以广东西部沿海高速公路珠海段月环高架桥12#～15#独柱墩加固工程为例，利用有限元法分析钢盖梁受力的可靠性，并对其施工工艺改进措施进行了分析。 1 工程实例
月环高架桥12#～15#跨长78m，桥跨组合为(26m+30m+22m)，位于R=1 500m的圆曲线内。该桥上部结构为单箱双室预应力混凝土连续箱梁，箱梁顶板宽12.9m、底板宽7.9m，箱梁中支点高 1.7m，侧支点高1.4m。墩柱布置：12#、15#墩采用两个盆式支座，支座间距分别为6.5m；中间13#、14#墩为独柱墩，分别单支撑盆式支座。具体构造如图1所示。 图1 13#、14#桥墩横断面
根据《广东省高速公路独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆安全性评估验算指导意见》，利用有限元软件建模计算，在作用基本组合下，汽车荷载效应分项系数为 3.4时，该桥独柱墩中墩转角计算值为0.054rad>0.02rad,且12#、15#墩外侧支座已出现负反力现象，横向抗倾覆安全性能不满足要求。
为此，采用对13#、14#独柱墩加钢盖梁改多支承方案(即通过在墩顶增设钢盖梁在原支座两侧各增加一个板式橡胶支座)，并在12#、15#过渡墩端横梁处增设钢拉杆。经验算，该方案抗倾覆稳定性满足相关标准要求。 2 钢盖梁受力可靠性验算
钢盖梁较混凝土盖梁整体刚度低，对辅助支座受力有一定影响。为确保钢盖梁承载力能满足独柱墩抗倾覆的要求，根据桥梁结构布置及钢盖梁设置情况，采用大型通用非线性有限元分析软件ABAQUS6.10，对独柱墩钢盖梁建立空间实体有限元模型，对其受力状况进行分析。
2.1 钢盖梁主要结构构造
采用悬臂式钢盖梁，盖梁长7.9m，高2.5m，盖梁由顶板、腹板、钢套筒、横隔板和加劲肋等组成，具体构造如图2、图3所示。 图2 独柱墩钢盖梁立面 图3 独柱墩钢盖梁平面
其中顶板、腹板和钢套筒钢板厚度24 mm，其他钢板厚度12～16 mm。钢盖梁采用工厂预制、现场组装的方式安装于独柱墩顶部，顶板、腹板和钢套筒间采用坡口焊，其他钢板采用角焊缝，焊脚尺寸9 mm。预制钢盖梁半结构采用8.8级M20螺栓现场拼接，并在现场焊接成整体。盖梁与墩柱之间采用8.8级M20后扩底锚栓连接，钢板与墩柱混凝土结合面压力注胶。钢结构均采用耐候钢Q355NHC，并设表面涂装防腐，涂层总厚度340 mm，参见表1。
表1 钢盖梁防腐涂装体系序号涂装要求设计标准1表面净化处理无油、干燥2二次表面喷砂处理Sa2.5级,Rz50-80μm3环氧富锌底漆2道2×50μm4环氧云铁中间漆2道2×100μm5氟碳面漆1道1×40μm
增设支座采用GJZ500×500×90板式橡胶支座，设钢筋混凝土垫石，垫石与钢盖梁间通过焊接U型钢筋作为剪力键连接，垫石周边设固定钢板。 2.2 钢盖梁受力分析
经验算,钢盖梁与墩柱、支座垫石理想协同受力时，钢盖梁承载能力能够满足要求。但受力按最不利状态考虑，即钢盖梁与墩柱间仅由锚栓连接，其与墩柱和垫石接触面仅发生接触关系时，钢盖梁受力不满足要求。 对最不利状态下钢盖梁受力，进行验算。 2.2.1 计算模型与参数
(1)根据结构对称性建立1/4模型，如图4所示。 图4 钢盖梁有限元计算模型
(2)材料参数。混凝土：Ec=3.25×104MPa，νc=0.1667，γc=26.0 kN/cm3； 钢材：Es=2.06×105MPa，νs=0.3000，γs=78.5 kN/cm3。 (3)荷载参数参见表2。
表2 钢盖梁计算荷载参数桥跨布置增设支座最不利反力/kN承载能力极限状态支座压力取用值/kNγQ=1.4γQ=3.426m+30m+22m7811 100(3.33MPa)2 200(6.67MPa) 2.2.2 计算结果
当钢盖梁与墩柱间仅由锚栓连接，与墩柱和垫石共用面仅发生接触关系时，盖梁钢材 Von-Mises 应力分布如图 5、图6所示。 图5 γQ=1.4 钢盖梁整体应力分布 图6 γQ=3.4钢盖梁整体应力分布 (1)整体受力状况参见表3。
总体来看，除极端状态下(γQ=3.4)钢盖梁套筒部分螺栓孔超出钢材屈服强度外，其余部分均满足受力要求。
表3 各部位钢材Von-Mises应力分布部位最大应力位置最大应力值
/MPaγQ=1.4γQ=3.4说明顶板支座垫石处加劲肋顶面83.3166.6腹板悬臂根部下缘133.5261.1套筒与腹板相近的上缘螺栓孔处306.7556.7钢材屈服强度为355MPa
(2)钢套筒锚栓受力。考察极限状态(γQ=3.4)下钢套筒锚栓的受力状态。经验算锚栓最大拉应力为234.6 kN，大于锚栓设计抗拉承载力120 kN；锚栓最大水平剪应力为165.9 kN，相应竖平面内最大剪应力为167.2 kN，大于锚栓设计抗剪承载力71 kN。据此判断极端状态下钢套筒锚栓受力显著大于8.8级M20锚栓设计抗拉和抗剪承载力，不满足要求。 3 钢盖梁施工工艺改进措施
基于上述极限状态钢盖梁承载能力验算，提出了两套钢盖梁改进方案：一是增加钢套筒厚度、锚栓强度，增设底板，以满足钢盖梁与墩柱间仅由锚栓连接状态下的受力。二是提高钢盖梁与墩柱、支座垫石间的结合效果，以确保钢盖梁与墩柱协同受力。
经比选采用了方案二，相对而言前者的做法不仅会增加钢盖梁自重，加重对原结构的损伤，而且没有考虑利用原墩柱与钢盖梁协同受力，浪费了原结构部分承载能力；而后者通过加强钢盖梁与原结构连接，充分利用原结构分担了拉应力和剪应力，显然更为经济、合理。
根据方案二，对钢盖梁施工工艺提出了具体的改进措施。 3.1 优选锚栓及桥梁加固用胶材料 3.1.1 桥梁加固用胶
灌钢胶选用新加坡美瑞德集团出品的MR9601A/B改性环氧树胶黏剂，锚固胶选用喜利得集团出品的HIT-RE500植筋胶，取样送第三方检测显示，各项技术指标均满足《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》(GB50728-2011)对I 类A 级胶的要求，见表4。
表4 桥梁加固用胶主要性能指标检测结果性能项目性能要求检测结果A级胶MR9601A/BHIT-RE500胶体性能抗拉强度/MPa≥3035.841.4受拉弹性模量/MPa≥3.2×1033 9304 406伸长率/(%)≥1.21.71.7抗弯强度/MPa≥5053.961.8粘结能力钢-对C45混凝土正拉粘结强度/MPa≥2.53.13.8不挥发物含量(固体含量)/(%)≥9999.799.7
注：置信水平c=0.99、保证率为95%。 3.1.2 锚栓
由于原设计采用的后扩底机械锚栓对钻孔直径的要求较高，若实际钻孔直径过大将影响锚固效果，因此重新选用了广州麦臣8.8S级M20×250倒锥型化学锚栓(通过
锚固胶固定)。取样送第三方检测显示，各项技术指标均满足《紧固件机械性能系列标准—螺栓、螺钉和螺柱》(GB/T3098.1-2010)的要求，拉力荷载≥203 kN，抗拉强度≥830MPa。 3.2 优化锚固及注胶工艺 3.2.1 锚栓固定工艺要求
(1)锚栓孔定位采用钢筋探测仪探测，避开主筋，初次钻孔深度应小于5 cm，检查未发现钢筋，再将孔位钻至有效锚固深度。
(2)所有螺栓孔开孔完毕后，方可在钢盖梁相应位置开孔。
(3)锚栓安装前要做好清孔工作，使用毛刷配合空压机清孔，经检查孔壁干燥、无尘，孔深、孔径符合要求后，方可注胶。
(4)锚固胶应注满孔体积的2/3，植入锚栓后应测量其外露长度。 (5)锚固胶固化前，避免扰动锚栓，待其固化后再进行其他各项工作。 3.2.2 钢套筒注胶工艺要求
(1)根据实测墩柱尺寸调整钢套筒直径，保证钢套筒与墩柱间隙小于5 mm。 (2)对墩柱与钢盖梁接触面清理、找平、露出新面，对钢盖梁与墩柱接触面除锈，注意钢混结合面不能涂装。
(3)钢套筒封边前,用空压机清除钢板空间内的灰尘。
(4)用封边胶封闭钢套筒上下缘，以30～50 cm间隔在上缘设置排气孔，并在下缘设置注胶孔。
(5)采用压力注胶，注胶压力不小于0.1MPa。注胶期间以橡皮锤敲击声判断注胶效果，胶液溢出后，再以较低压力维持10min以上。 3.3 加强锚固及注胶施工质量管理
(1)对锚固胶、灌钢胶、封边胶严格执行出入库登记制度，实行“三把锁”管理(即施工单位材料管理员、监理工程师、业主代表三方共同现场签认后，方可取用)，
保证工程使用材料符合技术要求。
(2)在锚固、注胶施工过程中，监理应严格做好旁站工作。完工后，监理应按规范要求抽样实验，验证完成效果。 4 结语
本文以广东西部沿海高速公路珠海段月环高架桥独柱墩加固工程为例，利用有限元法分析钢盖梁受力的可靠性，提出钢盖梁施工工艺的改进措施。除加固技术本身外，加强对超载车辆的管理、适当限制车速和行车道位置等对保障独柱墩桥梁的稳定性及运营安全也很重要。 参考文献：
【相关文献】
[1]陈新,赖增成,王标才. 独柱墩连续箱梁桥横向抗倾覆加固技术[J]. 公路交通科技(应用技术版)， 2016(6):207-208.
[2]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2012[S]. 北京：人民交通出版社, 2012. [3]公路桥梁加固设计规范JTG/T J22-2008[S]. 北京：人民交通出版社, 2008.
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