某公路U 型橋臺病害原因分析及加固設(shè)計(jì)

劉 文 海

(1.太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西太原 030024;2.太原市城市建設(shè)管理中心，山西太原 030009)

1 工程概況

某公路橋上部采用7孔30 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，下部為單排三柱式?jīng)_孔灌注樁，橋臺為M7.5砂漿砌片(塊)石U型重力式橋臺。該橋橋面寬度22.5 m，四車道設(shè)計(jì)，橋面橫向布置為:2×1.75 m(人行道)+2 ×2.5 m(非機(jī)動車道)+4 ×3.5 m(機(jī)動車道)。該橋原設(shè)計(jì)荷載等級為汽—超20、掛—120。

2 病害現(xiàn)狀及原因分析

2.1 病害現(xiàn)狀

該橋目前的病害主要有:橋臺側(cè)墻鑲面石普遍開裂;橋臺前墻鑲面石局部開裂，如圖1所示。該橋臺存在的開裂問題比較突出，裂縫發(fā)展不斷加速，若不及時(shí)進(jìn)行整治處理，橋臺前墻有可能突然滑塌危及橋梁安全，引發(fā)安全事故。

圖1 橋臺開裂圖

2.2 病害原因

根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙，小里程側(cè)橋臺置于弱風(fēng)化基巖上，大里程側(cè)橋臺置于砂礫石層中?，F(xiàn)場踏勘結(jié)果表明:橋臺基礎(chǔ)比較穩(wěn)定，無沉降等現(xiàn)象;小里程側(cè)橋臺開裂較大里程側(cè)橋臺嚴(yán)重，其裂縫走向也不符合基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生的裂縫特點(diǎn)。因此，初步排除橋臺基礎(chǔ)沉降這一原因。

經(jīng)分析，橋臺開裂原因可能如下:

1)根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算，橋臺前墻所受的應(yīng)力較小，不足以使其開裂。因此，橋臺的施工質(zhì)量(包括臺身砌筑、臺后填料以及臺身材料)可能存在一些問題，導(dǎo)致了橋臺開裂。

2)臺后填料可能采用了一些不透水性材料，加之臺身未設(shè)置泄水孔，致使雨水等一些外界水源滲入臺后填料中而無法排出，最終產(chǎn)生較大水平推力，導(dǎo)致了橋臺開裂。

3)汽車荷載(包括汽車沖擊力、制動力等)長期、反復(fù)地作用可能導(dǎo)致橋臺開裂。

4)本橋搭板傾角比較大，有一定的剛度，也有可能使得汽車荷載通過搭板傳遞了較大的水平力到臺帽上，致使橋臺開裂(如圖1所示)。

3 橋臺受力狀態(tài)分析

3.1 計(jì)算模型

為了選擇有效的加固措施，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立橋臺三維有限元模型(見圖2)，進(jìn)行橋臺受力狀態(tài)分析。采用Solid45單元模擬臺帽和前墻主體，共劃分73 900個(gè)單元。鑒于橋臺前墻和側(cè)墻連接處已經(jīng)開裂，計(jì)算模型中僅建立前墻的數(shù)值模型，考慮前墻在最不利荷載下的力學(xué)狀態(tài)。圖2中，x方向?yàn)轫槝蛳?，z方向?yàn)闄M橋向，y方向?yàn)橹亓Ψ捶较颉?/p>

3.2 荷載選取

在臺背土壓力范圍內(nèi)加載土壓力。由于側(cè)墻開裂，故在前墻墻背后全斷面加載水壓力，在前墻前側(cè)加載靜土壓力。橋臺側(cè)汽車荷載制動力和豎向壓力靠橋臺搭板傳遞至橋臺臺帽構(gòu)造細(xì)節(jié)處。橋跨結(jié)構(gòu)傳遞荷載通過支座傳遞至橋臺臺帽，模型中將此荷載加載至橋臺臺帽處。

圖2 橋臺三維計(jì)算模型

汽車荷載換算高度按照文獻(xiàn)［1］中4.3.4條處理，取0.51 m。臺后主動土壓力按照文獻(xiàn)［1］中4.2.3條處理，取752.4 kN。臺前靜土壓力按照文獻(xiàn)［1］中4.2.3條處理，取217.9 kN。橋臺搭板傳遞制動力按照文獻(xiàn)［1］中4.3.5條處理，取442.2 kN。橋臺后靜水壓力隨高度線性變化，按照靜水壓力公式依高度變化加載在有限元模型中。

臺帽采用C25混凝土，軸心抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1.78 MPa。小石子混凝土砌片石采用MU50+C15，軸心抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為0.26 MPa［2］。

3.3 計(jì)算結(jié)果

荷載組合工況:臺后水壓力+臺后主動土壓力+臺前靜土壓力+搭板沖擊荷載+橋跨結(jié)構(gòu)傳遞荷載。經(jīng)計(jì)算，x方向最大位移為2.673 mm，y方向最大位移為0.172 mm，最大主拉應(yīng)力為0.784 MPa。

圖3給出了橋臺第一主應(yīng)力云圖。

圖3 橋臺第一主應(yīng)力云圖（單位：Pa）

計(jì)算結(jié)果表明:橋臺在x和y方向變形較小，并未對橋臺結(jié)構(gòu)構(gòu)成威脅;最大主應(yīng)力出現(xiàn)在橋臺底部，這是由于橋臺底部固結(jié)約束導(dǎo)致部分應(yīng)力失真。值得注意的是，在臺帽和橋臺主體結(jié)構(gòu)連接處，存在局部應(yīng)力偏大的現(xiàn)象，這是由于此處材料剛度不連續(xù)導(dǎo)致應(yīng)力突變。此處的主拉應(yīng)力值在0.11 MPa～0.22 MPa之間變化，小石子混凝土砌片石的抗拉強(qiáng)度為0.26 MPa，強(qiáng)度滿足要求。

4 加固設(shè)計(jì)及效果

根據(jù)橋臺病害現(xiàn)狀，并結(jié)合橋梁受力狀態(tài)，采取的加固措施包括:橋臺填料換填、注漿以及橋臺前墻加固;改造路面搭板［3-5］。技術(shù)要點(diǎn)如下:

1)在對橋臺進(jìn)行加固之前，首先必須對已有裂縫仔細(xì)檢查后進(jìn)行治理，治理方法為灌注M10微膨脹水泥漿。

2)橋臺填料換填。

依次拆除原橋臺鋪裝、混凝土路面后，再開挖路基填料以及臺后填料，開挖深度3.5 m。在開挖形成的槽口內(nèi)，分層澆筑C20片(卵)石混凝土，每層厚度不超過100 cm。

3)橋臺填料注漿。

在原橋臺填料開挖后，對未開挖的橋臺填料進(jìn)行注漿處理，注漿材料為水+普硅水泥+粉煤灰(或細(xì)砂)。

4)橋臺前墻加固。

對原橋臺前墻細(xì)料石鑲面進(jìn)行充分鑿毛，要求應(yīng)鑿除鑲面石風(fēng)化層，露出新鮮巖面，并沖洗干凈，以確保新澆C30混凝土與橋臺前墻的緊密結(jié)合。

在原橋臺前墻上鉆孔植入φ25鋼筋，以加強(qiáng)新澆C30混凝土與橋臺前墻的連接。在新澆C30混凝土內(nèi)布設(shè)兩層15 cm×15 cm間距的鋼筋網(wǎng)，表層鋼筋網(wǎng)采用φ20鋼筋，底層鋼筋網(wǎng)采用φ16鋼筋。

目前，橋臺已完成加固施工，該橋已開放運(yùn)營。經(jīng)現(xiàn)場觀察，橋臺運(yùn)營現(xiàn)狀良好，未出現(xiàn)新裂縫。

5 結(jié)語

1)設(shè)計(jì)荷載作用下，該橋臺順橋向和橫橋向的最大位移分別為2.673 mm和0.172 mm，強(qiáng)度滿足要求，橋臺受力狀態(tài)良好。橋臺開裂原因主要是橋臺施工質(zhì)量(包括臺身砌筑、臺后填料以及臺身材料)引起。

2)通過橋臺填料換填、注漿以及橋臺前墻加固，并改造路面搭板，達(dá)到了加固目標(biāo)，加固效果明顯。

［1］JTJ 021-89，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［2］JTJ 023-85，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］李茂盛.重力式U型橋臺典型病害及加固方法研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2011.

［4］高國付.薄壁橋臺的受力分析及處理方案［J］.山西建筑，2013，39(7):168-169.

［5］GB 50367-2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.