順橋向水平力沖刷作用下某大橋裸露樁柱的計算分析

梅俊偉，張建龍，田野野

（長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

近年來，隨著跨河橋梁使用年限的增加，跨河舊橋的沖刷現(xiàn)象也越來越普遍，沖刷導(dǎo)致部分埋于地下的樁基裸露于地面之上，使裸露樁基作為墩柱的一部分而承擔著墩柱的受力，對樁基的受力情況進行研究很有必要。文獻［1］中僅對橋墩順橋向水平力的分配計算方法作出了研究；文獻［2］中對橋梁樁基沖刷病害的加固維修技術(shù)進行探討，對類似橋梁沖刷基礎(chǔ)的維修加固設(shè)計具有一定的借鑒意義。橋墩沖刷是一個復(fù)雜的問題，受到各種因素的影響，本文對沖刷裸露樁柱的受力進行分析，以期為類似工程的設(shè)計與維護加固提供參考。

1 工程概況

渭河某大橋地處渭河流域，主橋為單跨跨徑30 m的連續(xù)梁，其中某一聯(lián)為5跨共長150 m的連續(xù)梁,橋面寬18 m，雙向4車道。采用板式橡膠支座，橫橋向一排布置12塊，支座摩擦系數(shù)μ=0.2［3］。橋墩采用三柱式C25混凝土墩柱，每柱為直徑1.2 m的圓形柱。基礎(chǔ)為3根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁，采用C20的混凝土，樁頂設(shè)有斷面為1.0 m×0.8 m的矩形橫系梁。

該地最大降溫為30 ℃，混凝土收縮按降溫15 ℃考慮，則溫度變化Δt=30+15=45 ℃，線膨脹系數(shù)取α=0.000 01 ℃-1。

由于該聯(lián)沖刷最為嚴重，故選取該聯(lián)作為研究對象，沖刷深度及沖刷后墩高如表1所示，該聯(lián)整體現(xiàn)狀如圖1所示。

表1 各橋墩樁基沖刷深度及沖刷后墩高 m

圖1 某連續(xù)梁橋一聯(lián)現(xiàn)狀圖

2 橋墩順橋向水平力的計算

2.1 墩頂支反力的計算［4］

利用橋梁有限元軟件對該聯(lián)上部結(jié)構(gòu)進行建模分析，模型如圖2所示。

圖2 某連續(xù)梁橋一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)模型圖

由此可得各橋墩一排支座支反力之和，由于邊界的模擬和實際的約束并不能達到完全的一致，故對每個橋墩的支反力通過縱橋向取平均進行修正，結(jié)果如表2所示。

表2 某連續(xù)梁橋一聯(lián)各墩墩頂支反力 kN

2.2 順橋向水平力的計算［5］

連續(xù)梁橋墩墩頂順橋向水平力考慮墩梁共同作用的計算應(yīng)按收縮徐變、溫度變化、制動力的順序進行,在計算中需判斷活動支座是否滑動，在支座滑動后,應(yīng)按該墩推出共同作用而重新計算，直至與計算體系一樣［1］，計算原理及流程詳見參考文獻［1］。

（1）由于該橋采用樁柱式橋墩，故按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)規(guī)范》（JTG D63—2007）計算：

式中各符號的意義詳見《公路橋涵地基與基礎(chǔ)規(guī)范》（JTG D63—2007）。

板式橡膠支座的支座剛度按：K支=nAG/te計算，其中，n為一排支座個數(shù)，此處n取12；A為支座的平面面積，此處A取0.105 m2；G為橡膠的剪切模量，此處取1.0 MPa；te為支座的橡膠層厚度，通過查閱公路橋梁板式橡膠支座產(chǎn)品規(guī)格可知，此處te取45 mm。

每個橋墩組合抗推剛度：

該聯(lián)各墩組合抗推剛度計算結(jié)果如表3所示。

表3 各墩組合抗推剛度計算結(jié)果 kN·m-1

（2）計算連續(xù)梁該聯(lián)總的制動力，按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60 —2004）進行計算。單個車道汽車荷載為：10.5×150+（30-5）/（50-5）×（360-180）+180=760 kN。由于760×10%=76 kN＜165 kN,故單個車道制動力取165 kN。同向行駛雙車道總的汽車制動力：T=165×2=330 kN。

（3）根據(jù)各墩的組合抗推剛度占總的組合抗推剛度的比例，進行第一次制動力的分配。

（4）溫度變化產(chǎn)生的作用力計算首先要找到溫度變化時梁中不動點的位置，由于本聯(lián)橋為對稱結(jié)構(gòu)，則不動點位于連續(xù)梁跨中處，各墩距不動點的距離ΔLi便可得到；然后假設(shè)所有支座和梁體沒有滑動，則i橋墩分得的水平力為：

式中：ΔLi為i橋墩到不動點的距離；Ki為橋墩抗推鋼筋；α為膨脹系數(shù)；Δt為升（降）溫差。

按照剛度和距離進行溫度力的第一次分配計算。

（5）結(jié)果每個橋墩的制動力和溫度力均小于其支座摩阻力。判斷二者之和是否超過支座摩阻力，當二者之和小于支座摩阻力時，橋墩順橋向水平力組合取該二者之和，否則取支座摩阻力。計算結(jié)果如表4所示。

3 沖刷裸露樁基的受力分析

由于10號墩沖刷最為嚴重，故取第10號墩作為研究對象，通過橋梁有限元軟件對橋墩進行建模分析，第10號墩模型如圖3所示。

3.1 墩頂順橋向水平力作用下受沖刷裸露樁基的應(yīng)力分析

該聯(lián)第10號墩樁基沖刷深度為8.5 m,計算所得其墩頂分配的順橋向水平力為144.1 kN，將該順橋向墩頂水平力加載在橋墩墩頂，查看該沖刷出的8.5 m的樁柱的應(yīng)力分布如圖4、圖5所示。

表4 各墩墩頂水平力計算結(jié)果匯總

圖3 第10號墩結(jié)構(gòu)模型圖

圖4 第10號墩墩柱及樁柱應(yīng)力整體分布圖

圖5 第10號墩樁柱河床沖刷線附近應(yīng)力分布圖

由圖4可知，由于橋墩橫系梁的作用導(dǎo)致應(yīng)力分布在橫系梁處發(fā)生應(yīng)力重新分布，使應(yīng)力相對減小到某一個較小的值，即沖刷裸露樁柱在順橋向墩頂水平力作用下，裸露樁柱應(yīng)力（這里是指與水平力作用方向相反的一側(cè)的應(yīng)力）從某一個相對較小的值開始變化，隨著沖刷深度的增加而增大。

由圖5可知，沖刷裸露樁柱的應(yīng)力到達河床沖刷線附近時達到最大，然后隨著樁柱埋入地下深度的增加而迅速地減小，當樁柱埋入地下6.5 m時應(yīng)力值幾乎可以忽略；但樁柱應(yīng)力在地面以下2.5 m深度范圍內(nèi)應(yīng)力值均很大（接近于最大應(yīng)力值）。

由于河流的長期沖刷作用，導(dǎo)致裸露樁柱局部混凝土剝落、混凝土強度損傷、露筋及鋼筋銹蝕等現(xiàn)象較為普遍，這部分裸露樁基在應(yīng)力（墩頂順橋向水平力作用下產(chǎn)生的）作用下很脆弱，最容易發(fā)生破壞，因此需要對其進行加固處理。

3.2 墩頂順橋向水平力作用下沖刷裸露樁基的墩底彎矩分析

以第10號墩作為研究對象，通過對其設(shè)置不同的沖刷深度0 m、2 m、4 m、6 m、8.5 m、10 m，查看墩底（此處墩底是指沖刷后樁柱與河床沖刷線相交的位置，以下“墩底”意義與該處相同）的彎矩變化情況。

（1）不同沖刷深度對應(yīng)橋墩的組合抗推剛度是不同的，橋墩所分配的墩頂水平力也是不同的。對于第10號墩，不同沖刷深度所分配的墩頂水平力計算過程見上文，其計算結(jié)果如表5所示。

圖6 第10號墩沖刷4 m時橋墩彎矩分布圖

由此可知，隨著沖刷深度的增加，橋墩高度在增大，橋墩的組合抗推剛度在減小，橋墩墩頂承擔的水平力也隨之減小。

（2）利用橋梁有限元軟件進行建模，根據(jù)規(guī)范采用m法模擬樁土效應(yīng)從而設(shè)置不同的沖刷深度，加載上述計算所得的對應(yīng)沖刷深度墩頂承擔的水平力。第10號墩沖刷4 m和8.5 m時彎矩分布圖分別如圖6和圖7所示。第10號墩設(shè)置不同沖刷深度時計算所得沖刷后墩底彎矩值如表6所示。

由以上結(jié)果分析可知，隨著沖刷深度的增加，墩底彎矩隨之減小，但是墩底彎矩減小的速度不如橋墩沖刷深度增加的速度快，即隨著沖刷深度的增加，墩底彎矩值減小幅度不大。橋墩邊柱和中柱墩底彎矩值隨著沖刷深度的增加，兩者的差值也在隨之減小，當沖刷深度達到樁基長度的1/15左右時，兩者趨于相同。

圖7 第10號墩沖刷8.5 m時橋墩彎矩分布圖

表6 第10號墩不同沖刷深度所對應(yīng)墩底彎矩

4 結(jié)論

（1）通過沖刷后墩底應(yīng)力分析可知，由于河流沖刷作用導(dǎo)致裸露樁柱混凝土強度損傷，并且這部分沖刷裸露樁柱失去了周圍土介質(zhì)的約束作用而作為橋墩墩柱的一部分承擔著橋墩墩柱的受力，墩頂順橋向水平力的作用下使沖刷裸露樁柱順橋向兩側(cè)分別承受較大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，因此該部分樁柱最容易出現(xiàn)開裂，也是最先發(fā)生破壞的部分。

加大截面加固法可以提高構(gòu)件抗拉、抗剪等能力，同時也可以用來修復(fù)已經(jīng)損傷的混凝土截面、提高其耐久性［6］，因此對受沖刷的樁柱進行加固處理時，建議采用加大截面加固法。

（2）通過沖刷后墩底彎矩分析可知，隨著沖刷深度的增加，墩底彎矩值有所減小，但是減小幅度不大。橋墩邊柱和中柱墩底彎矩值隨著沖刷深度的增加，兩者的差值也在隨之減小，當沖刷深度達到樁基長度的1/15左右時，兩者趨于相同。

沖刷前墩底地系梁把各墩柱連在一起使其共同受力，有助于各墩柱共同抵抗墩底彎矩；沖刷后地系梁不再位于墩底，隨著沖刷深度的增加，地系梁的作用越來越小，當沖刷深度達到樁基長度的1/15左右時，地系梁的作用已可以忽略。因此對于沖刷達到一定深度的橋墩，建議在墩底加設(shè)新樁基和承臺結(jié)構(gòu)，這樣不僅提高了下部結(jié)構(gòu)的承載能力，也有助于各墩柱共同抵抗墩底彎矩從而提高了橋墩的整體受力性能。

［1］溫超，李楠.橋墩順橋向水平力分配計算［J］.交通科技，2009（S1）：23-26.

［2］黎泰良.橋墩樁基沖刷病害加固設(shè)計研究［J］.福建建筑，2012（7）:60-63.

［3］JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)規(guī)范［S］.

［4］范立礎(chǔ).橋梁工程［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］ JT/T 663—2006公路橋梁板式橡膠支座規(guī)格系列［S］.

［6］范云.損傷橋墩承載力數(shù)值模擬分析［D］.大連：大連海事大學(xué)，2008.