摘 要：以某钢筋混凝土连续箱梁桥为例，首先从锚栓及加固用胶材料性能、锚固及注胶施工等方面分析了独柱墩钢盖梁加固方案，然后通过MIDAS FEA软件对曲梁独柱墩增设钢盖梁加固模型进行有限元分析，并将分析结果和现场足尺试验结果进行了比较。结果表明，曲梁独柱墩增设钢盖梁能使桥梁上部结构抗倾覆性能显著提升；构建数值模型并通过计算机模拟和分析独柱墩加固效果，可较好地模拟试验过程，为独柱墩增设钢盖梁施工方案优化设计提供保证。
关键词：独柱墩;钢盖梁;数值模拟;
作者简介：陈羲（1989—），女，工程师，从事公路桥梁设计工作。;
0 引言独柱墩桥梁在运行过程中如遇车辆重载超载，桥梁主梁会因超载和偏载等不利工况的叠加产生横向扭矩，影响独柱墩横向稳定。一旦主梁传递至柱墩的横向扭矩超出独柱墩所能提供的抗倾覆力矩时，很有可能引发箱梁倾覆[1]。当前，随着对独柱墩抗倾覆加固问题重视程度的提高，新的加固方法不断涌现，常用的加固方法主要有墩顶增设盖梁法、主梁增设抗拔构造、新增墩柱法等。其中，墩顶增设钢盖梁法因具有恒载小、工期短、加固施工对桥梁正常交通影响小等优势而应用广泛。
1 工程概况某桥梁为钢筋混凝土连续箱梁，设计荷载和验算荷载均为公路-Ⅰ级，下部为钢筋混凝土独柱墩、肋板桥台及扩大基础。桥面设置8.0～14.0cm厚的C40复合纤维防水混凝土铺装层。主梁采用单箱单室斜腹板形式，箱梁顶、底宽度分别为10m和5.5m，箱梁高1.2m，顶板厚30cm，支点附近厚度增至50cm，中支点和端支点横梁宽1.0m和0.65m。考虑到该独柱墩桥梁稳定性不足，导致结构整体失稳进而引发安全事故的可能性较大，故必须采取有效的加固措施，增强桥梁结构稳定性。
该曲梁独柱墩采用悬臂式钢盖梁，盖梁高2.5m，长7.9m，并主要由腹板、顶板、钢套筒、加劲肋和横隔板等部分构成，其中腹板、顶板和钢套筒钢板材料厚度均为24mm，其余部位钢板厚度在12～16mm。预制钢盖梁板结构通过8.8级M20螺栓现场拼接，盖梁和墩柱之间则通过8.8级M20后扩底锚栓连接。钢结构采用Q355NHC耐候钢材料，表面增设总厚度340mm的防腐涂层，具体施工参数详见表1。
表1 耐候钢材料表面防腐涂层性能参数 下载原图
与混凝土盖梁相比，钢盖梁整体刚度较低，并对辅助支座受力存在一定程度的影响。为保证钢盖梁结构承载力满足独柱墩抗倾覆要求，必须结合桥梁结构实际，应用有限元软件进行独柱墩钢盖梁受力情况分析。
2 独柱墩钢盖梁加固方案为减少独柱墩钢盖梁加固对上部结构的影响，保证原桥梁结构运营期间受力体系不变，新增的加固支座应贴合上部结构，在桥梁使用过程中不承担上部荷载；当主梁因偏载、超载而出现较大倾覆力矩甚至引发桥梁整体扭转变形时，新增支座及钢盖梁才参与受力并提供反向力矩，以使桥梁结构整体抗倾覆能力提升[2]。
2.1 优选锚栓及加固用胶材料该曲梁独柱墩增设钢盖梁施工选用MR9604A/B型改性环氧树胶黏剂灌钢胶以及HIT-RE500型植筋胶。在正式施工前必须取样送至第三方检测机构进行性能检测，各项指标均应符合《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》（GB 50728—2011）中Ⅰ类A级胶要求（见表2）。
表2 加固用胶性能指标 下载原图
考虑到设计方案中拟采用的后扩底机械锚栓对钻孔直径精确度要求较高，如果实际孔径超出设计值将影响锚固效果，故施工时应选用某公司生产的8.8s级M20×250倒锥形化学锚栓。将材料取样送至第三方检测机构进行性能检测。检测结果表明，拉力荷载在203kN以上、抗拉强度在830MPa以上，各项指标均满足《紧固件机械性能：螺栓、螺钉和螺柱》（GB/T 3098.1—2010）要求。
2.2 锚固及注胶方案采用钢筋探测仪进行锚栓孔定位检测，锚栓孔的设置必须避开主筋，初次钻孔深度不得超出5cm。此后进行锚栓孔质量检测，若在锚栓孔四周5.0cm范围内无钢筋存在，再将孔位钻至有效锚固深度。待全部螺栓孔开孔结束，在钢盖梁相应孔位开孔。安装锚栓前应通过毛刷和空压机配合清孔，并检查孔壁、孔深、孔径，均满足设计要求后方可注胶，锚固胶注满锚固孔体积的2/3后植入锚栓，并进行外露长度测量。在锚固胶固结前，不得扰动锚栓。
钢套筒注胶前必须结合墩柱实际测量尺寸进行套筒直径调整，确保套筒和墩柱之间的间隙不超出5mm；彻底清理并找平墩柱和钢盖梁接触面，保证新面露出，对钢盖梁和墩柱接触面进行除锈处理；在钢套筒封边前，还应通过空压机将钢板空间内的灰尘彻底清除。采用封边胶封闭钢套筒上下缘，并在上缘按30～50cm间距开设排气孔，在下缘开设注胶孔。通过压力方式注胶，灌注压力至少为0.1MPa，注胶施工过程中应通过橡皮锤频繁敲击，根据敲击声判断注胶效果，待胶液外溢后降低灌注压力并维持10～15min后结束注胶。
3 数值模拟桥梁加固工程实施前进行的模型试验会受到试验场地、传感器精度、试验设备、人工测量误差、施工养护周期等的限制，如果构建数值模型，并通过计算机模拟和分析独柱墩加固效果，则能扩充试验数据并降低试验误差[3]，为加固方案顺利实施提供保证。
3.1 足尺模型试验为进行加固方案有效性检验，必须对独柱墩展开足尺试验，该曲梁独柱墩增设盖梁加固分为单侧加固和双侧加固两种形式，足尺试验仅仅针对单侧加固形式。现场试验测点布置情况详见图1和图2。图2(a）中15-2测点和15-5测点主要进行独柱墩整体水平位移测试，其余测点则进行独柱墩整体竖向位移测试。图2(b）中16-2、16-7（水钢）测点以及16-1、16-8（竖钢）测点分别进行UHPC超高性能混凝土和钢盖梁接缝水平位移、竖向位移测试，而16-6（水混凝土）测点以及16-3（竖混凝土）、16-4（竖混凝土）、16-5（竖混凝土）测点分别进行混凝土墩柱和UHPC超高性能混凝土接缝两侧相对水平位移、竖向位移检测。每完成一步加载都必须对刚构件或混凝土构件裂缝进行测量，并记录测量结果。
图1 位移测点布置情况 下载原图
注：图中“竖混凝土”为“接缝两侧混凝土竖向位移”的简写。
图2 预埋构件测点布置情况（单位：mm) 下载原图
3.2 数值试验应用MIDAS FEA软件构建该曲梁独柱墩增设钢盖梁有限元模型，立柱长2.0m、宽1.6m、高4.0m，并采用与原立柱相同的配筋。C30混凝土本构模型、受压裂缝模型及受拉裂缝模型分别采用总应变裂缝模型、Thorenfeldt模型和Constant模型，UHPC超高性能混凝土弹性模量为5.5×104MPa，抗压及抗拉强度分别为160MPa和8MPa，钢筋均采用Q235碳素结构钢。除模型自重外，外部荷载根据足尺模型逐步加载，各加载节段的荷载均采用增量形式。
4 模拟结果分析在数值模拟的基础上，提取和试验测点相同的点位单元数据进行对比分析。
4.1 荷载-位移对比当加载吨位达到270t时，试验所得位移数值发生突变，而有限模拟位移曲线变得平滑，试验数值开始减小。造成这种现象的原因是试验用位移计精度有限，当测量值越小，数据误差越大[4]。根据接缝处相对位移值的对比，荷载在150t以下时接缝相对位移较小，随着外荷载的增大，竖向位移试验数值与有限元模拟数值的差距随之增大，具体见图3(a）；水平位移较为接近，见图3(b）。根据竖向位移对比结果，UHPC超高性能混凝土和钢盖梁间的黏结性能比UHPC超高性能混凝土与立柱黏结性能优异。
4.2 荷载-应变对比将化学锚栓植入曲梁独柱墩中，根据各测点应变值实测结果和模拟结果的比较，化学锚栓应变值较小，实测值和模拟值吻合度高。在测点处微裂缝扩展作用的影响下，连接UHPC超高性能混凝土和立柱后，化学锚栓中最上排锚栓应变在荷载增大至215t时开始突增。考虑到微裂缝出现的位置和时间具有随机性，数值模拟方法主要对材料进行相对宏观的均一化处理，故难以进行微裂缝初始位置及状态的准确模拟。
图3 不同荷载水平下接缝相对位移 下载原图
根据钢盖梁铆钉测点应变实测结果和模拟结果的对比，铆钉应变值并不大，且整体表现出上部受拉、下部受压的趋势，模拟结果变化趋势与实测结果基本一致，但数值整体偏小。引起这种现象的原因主要是测点处微裂缝扩展使实测结果偏大，材料均一化使模拟结果偏小。
4.3 荷载-裂缝对比根据对加载过程中裂缝情况的数值模拟，裂缝集中分布于墩柱受拉区域加载处下方墩柱和UHPC超高性能混凝土连接处。曲梁独柱墩整体结构受弯开裂后，UHPC超高性能混凝土连接界面表现出0.042mm宽的裂缝，这一模拟结果和试验结果完全吻合。UHPC超高性能混凝土和钢牛腿连接界面数值模拟和实测结果均无裂缝产生，这也验证了UHPC超高性能混凝土和钢盖梁的黏结性能比UHPC超高性能混凝土与混凝土墩柱的黏结性能优越的结论。
5 结语综上所述，该曲梁独柱墩增设钢盖梁抗倾覆加固工程中，新增钢牛腿，并通过预应力螺杆和原独柱墩连接的方式能使上部桥梁弯矩有效传递。对竖向相对位移及微裂缝的分析结果表明，UHPC超高性能混凝土和盖梁间的黏结性能更加优异，极限加载状态下的微裂缝主要出现在UHPC超高性能混凝土和墩柱连接位置。为此，必须加强该曲梁独柱墩增设钢盖梁抗倾覆加固中UHPC超高性能混凝土和既有混凝土连接界面的设计与控制。化学锚栓及预设铆钉均能通过钢牛腿将内力传递至原墩柱，且应力水平均不高，在设计中存在进一步优化的空间。
参考文献[1] 刘骁.独柱墩桥梁增设钢盖梁设计与验算分析[J].低温建筑技术，2021,43(11):115-119.
[2] 王文彪，韩鹏，李攀.独柱墩曲线桥钢盖梁加固方案设计[J].城市道桥与防洪，2021(3):68-71.
[3] 付武荣.曲梁独柱墩增设钢盖梁数值模拟分析[J].中国市政工程，2020(5):24-27.
[4] 李王辉，贾磊，张小刚.独柱墩连续箱梁增设钢盖梁加固设计[J].公路交通科技（应用技术版），2019,15(1):232-234.
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