重力式U 型橋臺開裂原因

胡皓勇，朱珊瑩

（1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2.重慶城市綜合交通樞紐（集團(tuán)）有限公司，重慶 400010）

在我國橋梁建設(shè)中，較為常見的重力式橋臺是U 形橋臺，它主要由臺帽、臺身和基礎(chǔ)組成。橋臺本身多數(shù)由片石混凝土、石砌或混凝土等圬工材料建造，可以平衡臺后的土壓力。一般采用現(xiàn)場澆筑方法施工。U 形橋臺因其臺身是由前墻和兩個(gè)側(cè)墻構(gòu)成的U 字形結(jié)構(gòu)而得名。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，可以用混凝土或片、塊石砌筑。缺點(diǎn)是橋臺體積和自重較大，增加對地基的要求，此外，橋臺兩側(cè)填土容易積水，結(jié)冰后凍脹，使側(cè)墻產(chǎn)生裂縫。所以橋臺采用滲水性較好的土夯填，并做好臺后排水。本文通過對《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》橋臺部分各個(gè)條款進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算，并且借助專業(yè)分析軟件MIDAS FEA 的模擬計(jì)算臺后土壓力對前墻的影響，防止部分橋梁在營運(yùn)不久出現(xiàn)的各種嚴(yán)重問題。

1 設(shè)計(jì)算例

本文根據(jù)重慶市南川至貴州市道真高速公路重慶段特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，大橋工程位于南川區(qū)大有鎮(zhèn)水源村，其跨徑布設(shè)為（85＋148＋85）m，橋梁起點(diǎn)樁號K22＋336.962，跨中樁號K22＋503，終點(diǎn)樁號K22＋665.013，全長326m，橋面總寬12m，橋面行車道寬11m，兩側(cè)各設(shè)0.5m 寬的防撞護(hù)欄。兩幅橋梁總面積7 488m2。道路等級：高速道路；計(jì)算行車速度：80km／h。

2 前墻計(jì)算

U 型橋臺主要受力部分為前墻，一般對于高度較大的橋臺，前墻前邊和地基的墻身的應(yīng)力通常比較大，為改善這種應(yīng)力分布狀況，使受力更合理，在較大寬度的橋臺中，在前墻的一定位置設(shè)置變形縫，橋臺質(zhì)量一般能保證，所以加寬基礎(chǔ)襟邊，同時(shí)前墻設(shè)置10∶1或者8∶1的前坡。

2.1 土壓力的計(jì)算

擋土結(jié)構(gòu)物上受到的土壓力和擋土結(jié)構(gòu)與填土相對位移緊密相關(guān)。一般地，可以參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》附錄部分，按擋墻模式計(jì)算臺背壓力。橋背填土的作用達(dá)到了主動(dòng)土壓力。一般采用朗肯主動(dòng)土壓力理論計(jì)算臺背主動(dòng)土壓力。規(guī)范中根據(jù)橋臺后有車和無車兩種情況進(jìn)行。計(jì)算得到兩種情況下土壓力作用點(diǎn)到基礎(chǔ)底面的距離，破壞棱體的長度。對于臺后有車的情況，要把汽車荷載轉(zhuǎn)化為土層厚度。

換算土層厚度

2.2 基底應(yīng)力

為滿足橋臺承載能力要求，對以后進(jìn)行的抗傾覆和抗滑移設(shè)計(jì)達(dá)成統(tǒng)一，對基底應(yīng)力按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。

式中：N為豎向力總和，∑M為作用于橋臺的水平力和豎向力對基底重心軸的彎矩，A為基礎(chǔ)底面積，W為基礎(chǔ)底面的截面抵抗矩。

土類地基基底最大應(yīng)力pmax＝231.3kPa，要求土類地基基底容許承載力［］f不小于250kPa。

在設(shè)計(jì)中，為使橋臺的安全度更高，設(shè)計(jì)人員不能僅僅只局限于規(guī)范條文，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際工程情況，如果地質(zhì)條件較差，對于容易塌陷的地區(qū)要保證基底應(yīng)力能夠滿足規(guī)范要求，還要驗(yàn)算前墻和背墻由于地基不均勻沉降導(dǎo)致的裂縫。

2.3 抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

實(shí)際驗(yàn)算基底抗傾覆穩(wěn)定性，目的是確保橋臺不向一側(cè)傾倒，也不繞著某一軸轉(zhuǎn)動(dòng)。橋臺是繞基底受壓的最外邊緣傾覆，針對彈性軟土面的橋臺基礎(chǔ)，由于基底最大受壓邊緣陷入土中，此時(shí)基底的轉(zhuǎn)軸將在受壓邊緣的內(nèi)側(cè)的某條線上。在設(shè)計(jì)中保證基底的最大應(yīng)力，基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸仍定在最大受壓邊緣。

由《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.4.1 條規(guī)定

式中：k0為墩臺基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；y為橋臺截面重心至驗(yàn)算傾覆軸的距離，m；即距墻趾的距離；［k0］為規(guī)范規(guī)定驗(yàn)算墩臺抗傾覆和抗滑移的最小溫度系數(shù)；

計(jì)算結(jié)果：前墻基礎(chǔ)傾覆和抗滑移性均滿足《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的要求。

3 有限元分析

為了計(jì)算精確，本模型通過FEA 有限元中的映射網(wǎng)格進(jìn)行規(guī)格的單元?jiǎng)澐?。單元全部使用空間四節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元。荷載采用土壓力和車輛荷載的組合，將土壓力變化規(guī)律，以面荷載的形式分別施加在前墻和側(cè)墻的背面，見圖1。

圖1 橋臺三維實(shí)體離散模型

橋臺各墻所受的土壓力會(huì)隨著橋臺高度增大不斷增加，因此，前墻與側(cè)墻所受水平壓力也會(huì)增加，常常在前墻和側(cè)墻的交接處出現(xiàn)拉應(yīng)力，如果在實(shí)際中橋面排水不順暢，可能導(dǎo)致臺后填土的重度增加，即而使得土壓力增加。

本文通過，“臺內(nèi)填土土壓力＋汽車荷載＋溫度力”工況進(jìn)行分析，見圖2～圖6。

圖6 最大剪應(yīng)力云（單位：MPa）

1）橋臺X軸方向應(yīng)力最大值為0.23 MPa，最小值為－0.24 MPa，最大拉應(yīng)力分布在橋臺前墻基礎(chǔ)；橋臺Y軸方向應(yīng)力最大值為0.5 MPa，最小值為－0.3 MPa，最大拉應(yīng)力也分布在橋臺前墻與側(cè)墻交界處；橋臺Z軸方向應(yīng)力最大值為0.3 MPa，最小值為－0.7 MPa，最大拉應(yīng)力分布在橋臺前墻與地基交界處，分布范圍較??；橋臺范梅塞斯應(yīng)力最大值為0.8 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在前墻和基礎(chǔ)交接處；橋臺第三主應(yīng)力最小值為－1.8 MPa，最大主壓應(yīng)力分布在橋臺前墻與錐坡交界處。

2）從應(yīng)力分布趨勢來看，如果地基發(fā)生沉降，橋臺前墻與側(cè)墻交界處最容易開裂，由于前墻的剛度比側(cè)墻剛度大，開裂起始位移會(huì)從側(cè)墻開始，由內(nèi)側(cè)向外側(cè)沿著45°方向擴(kuò)展，直到裂縫貫穿側(cè)墻，若不采取措施，裂縫將由橋臺臺帽位置向下繼續(xù)發(fā)展，直到前墻與側(cè)墻分開。

4 結(jié)束語

從計(jì)算結(jié)果來看，汽車荷載產(chǎn)生的效應(yīng)最為顯著，土壓力次之?，F(xiàn)有車流量大，重載、超載嚴(yán)重，再加上橋面排水不順暢，雨水順著橋頭搭板的裂隙進(jìn)入橋臺，由于臺后填土透水性較差，填土遇水膨脹，對橋臺側(cè)墻和前墻產(chǎn)生向外的推力，這些原因都有可能導(dǎo)致橋臺開裂的原因。

本文嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范條款進(jìn)行分析計(jì)算，為確保橋梁橋臺結(jié)構(gòu)滿足使用要求，提高橋梁橋臺的安全性和耐久性，在對公路橋梁橋臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要求設(shè)計(jì)人員和現(xiàn)場施工人員根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范及其施工規(guī)范總和考慮地質(zhì)水文條件和結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)等，以滿足規(guī)范的要求。并且通過有限元分析計(jì)算，分析出橋臺后的填土產(chǎn)生的土壓力對橋臺結(jié)構(gòu)的安全性有著重要的影響。因此，在以后的設(shè)計(jì)中一定要考慮較大的土壓力作用。但是在橋臺設(shè)計(jì)中仍存在一些問題需要研究，如在活載的選擇上，使用車輛荷載和車道荷載的選擇上是需要進(jìn)一步研究的。

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