意外堆土對高架橋結(jié)構(gòu)安全性評估分析

萬友元

(廣東惠清高速公路有限公司， 廣東 廣州 510000)

意外堆土對高架橋結(jié)構(gòu)安全性評估分析

萬友元

(廣東惠清高速公路有限公司， 廣東 廣州 510000)

高墩高架橋的橋墩受橫向荷載非常敏感，意外堆土對高架橋既有橋墩可能產(chǎn)生重大影響，必須加以控制。為評估意外堆土對某高墩高架橋結(jié)構(gòu)受力性能的影響，通過現(xiàn)場調(diào)查，考慮了堆土的側(cè)向剛度，采用midas有限元分析軟件建立模型分析了堆土對橋墩及主梁受力性能的影響，理論分析表明：若沒有上部結(jié)構(gòu)對橋墩的支撐作用，在上述意外堆土荷載作用下，墩內(nèi)最大拉應(yīng)力將接近8 MPa?？紤]上部結(jié)構(gòu)對橋墩提供的有效支撐后，在最不利意外堆土壓力與恒載的共同組合下，2#橋墩最大會產(chǎn)生約1.13 MPa拉應(yīng)力，但小于C30混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa。基于分析結(jié)果對意外堆土后的橋梁狀態(tài)進(jìn)行了評估，并提出了相應(yīng)的處理建議，可為同類事故的分析和處理提供參考。

高架橋；意外堆土；橋墩；安全評估

0 引言

跨越山谷或城市高架道路的橋梁稱為高架橋。其特點為：橋墩高度較高，一般用鋼筋混凝土排架或柱式鋼筋混凝土橋墩[1,2]。高墩高架橋的橋墩受橫向荷載非常敏感，意外堆土對高架橋既有橋墩可能產(chǎn)生重大影響，必須加以控制。

近年來，已出現(xiàn)多起因意外堆土、堆載導(dǎo)致橋墩偏位、樁基意外變位等情況[3-8]。

本文通過現(xiàn)場調(diào)查、理論分析評估了意外堆土對某高墩高架橋結(jié)構(gòu)受力性能的影響，基于分析結(jié)果對意外堆土后的橋梁狀態(tài)進(jìn)行了評估，并提出了相應(yīng)的處理建議，可為同類事故的分析和處理提供參考。

1 工程背景

本文的工程背景為某高架橋，位于某高速公路互通，上部結(jié)構(gòu)采用15×30 m連續(xù)T梁(5跨1聯(lián))，下部結(jié)構(gòu)為肋板式橋臺配樁基礎(chǔ)(0號臺)、柱式橋臺配樁基礎(chǔ)(15號臺)、柱式橋墩配樁基礎(chǔ)。預(yù)制T梁采用C50混凝土，橋臺臺帽、橋墩蓋梁、橋墩墩柱、基礎(chǔ)采用C30混凝土。設(shè)計汽車荷載為公路 — Ⅰ級。

高架橋第1聯(lián)立面圖見圖1。

圖1 高架橋第1聯(lián)立面圖(單位： cm)

高架橋通車運營后，由于橋下道路施工，施工單位將部分棄土堆置于高架橋1號墩～3號墩之間，出現(xiàn)如圖2所示設(shè)計外的非正常意外堆土。

a) 下穿0號臺～1號墩間的新修道路

b) 1～3號墩間的意外堆土情況

2 現(xiàn)場調(diào)查

2.1 現(xiàn)場堆土范圍調(diào)查

通過現(xiàn)場實測并結(jié)合竣工圖，可以測算設(shè)計外意外堆土的范圍如圖3所示，左、右兩幅意外堆土情況基本一致。意外堆土僅局限在1～3號墩之間，1號墩順橋向兩側(cè)的意外堆土頂面基本在同一標(biāo)高，已基本平衡；2號墩兩側(cè)意外堆土相差較大，2 ～3號墩間意外堆土從2號墩意外堆土頂面線性變化至3號墩原地面標(biāo)高處。

1～2號墩間意外堆土后的地面標(biāo)高均值約為171 m，意外堆土深度范圍在6.05～13.2 m之間，近似梯形分布，平均深度約為10 m。

2～3號墩間意外堆土剖面近似三角形分布，意外堆土休止角(傾斜面與水平面夾角)約為25°。

圖3 意外堆土范圍(單位： cm)

2.2 橋墩、主梁及支座的工作情況調(diào)查

橋墩狀況： 1～3號墩的表面有見因意外堆土內(nèi)石塊沖擊或機械設(shè)備刮碰造成的局部淺表性損傷，但深度均不超過3 mm，處于墩混凝土保護(hù)層范圍內(nèi)。1～3號墩上未見可見裂縫及明顯變形和偏位，工作狀況未見明顯改變，工作狀態(tài)尚屬正常。主梁狀況：上部結(jié)構(gòu)主梁未見明顯病害，工作狀態(tài)尚屬正常。支座情況：支座上未見明顯異?，F(xiàn)象，工作情況尚屬正常。

現(xiàn)場檢查表明：除1～3號墩的表面有見因意外堆土內(nèi)石塊沖擊或機械設(shè)備刮碰造成的局部淺表性損傷外，橋墩、主梁上未見可見裂縫，橋墩未見明顯變形及偏位，支座未見明顯剪切變形和移位，結(jié)構(gòu)整體工作狀態(tài)正常。

3 理論分析

3.1 有限元模型建立

為評估上述非正常意外堆土對橋梁結(jié)構(gòu)受力的影響，采用MIDAS/CIVIL分別對左、右兩幅的第1聯(lián)建立空間模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，左、右幅模型分別如圖4所示。主梁、橋墩、蓋梁、系梁均采用梁單元進(jìn)行模擬。不考慮0號橋臺及5號橋墩的作用，通過在梁端分別設(shè)置不動鉸支承來進(jìn)行模擬[9,10]。

通過考慮意外堆土水平壓力的形式來模擬意外堆土的影響，考慮對結(jié)構(gòu)的最不利影響，僅考慮1號墩～2號墩間意外堆土作用。意外堆土按作用按線荷載布置在2號橋墩第2道系梁與第3道系梁之間。按被動土壓力系數(shù)進(jìn)行保守考慮。

a) 左幅計算模型

b) 右幅計算模型

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60 — 2004)4.2.3條規(guī)定，壓實意外堆土重力的水平壓力強度標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計算：

qH=λγh

(1)

(2)

式中：λ為側(cè)壓系數(shù)；φ為土的內(nèi)摩擦角，評估時保守取意外堆土的內(nèi)摩擦角為25°；γ為土的重力密度，取γ=18 kN/m3；h為計算截面至路面頂?shù)母叨龋琺，取平均意外堆土深度進(jìn)行計算，h=10 m。

計算得到：qH=73.06 kN/m2。

通過梁單元荷載的形式在midas模型中進(jìn)行模擬，如圖5所示，考慮意外堆土最不利情況(只考慮1～2號墩意外堆土，忽略2～3號墩意外堆土的有利影響；按意外堆土深度10 m考慮土壓力)。

圖5 意外堆土產(chǎn)生的水平壓力

該橋采用橡膠支座，橡膠支座一般采用節(jié)點彈性連接的方式(如圖6所示)，通過設(shè)置Kx、Ky、Kz、Rx、Ry及Rz參數(shù)進(jìn)行支座模擬。橡膠支座使橋墩與主梁之間的關(guān)系介于剛接與水平自由之間，當(dāng)Kx=0時，主梁與橋墩處于水平自由狀態(tài)；當(dāng)Kx無窮大時，橋墩與主梁處于剛接狀態(tài)。其他參數(shù)按支座設(shè)計值考慮。

圖6 節(jié)點彈性連接模擬橡膠支座示意

當(dāng)橋墩與主梁處于剛接狀態(tài)時(即Kx=無窮大時)，主梁受力處于最不利狀態(tài)，因此，在對主梁進(jìn)行評估時按主梁與橋墩固結(jié)進(jìn)行考慮，分析結(jié)果中，主梁的應(yīng)力均偏安全地按支座為剛接狀態(tài)考慮。

為全面地分析橋墩，接下來按Kx=0、Kx=∞分別計算意外堆土對橋墩的影響。

3.2 分析結(jié)果

3.2.1 堆土對主梁應(yīng)力影響分析

左幅橋由外側(cè)欄桿往內(nèi)側(cè)欄桿依次記為1#主梁～6#主梁，考慮結(jié)構(gòu)對稱，表1只列出1#～3#主梁應(yīng)力情況。右幅由外側(cè)欄桿往內(nèi)側(cè)欄桿依次記為1#主梁～10#主梁，考慮結(jié)構(gòu)對稱，表2只列出1#～5#主梁應(yīng)力情況。

分析表明： 在意外堆土荷載作用下，右幅主梁最大拉應(yīng)力增量為0.52 MPa；最大壓應(yīng)力增量為0.50 MPa。左幅主梁最大拉應(yīng)力增量為0.53 MPa；最大壓應(yīng)力增量為0.50 MPa。應(yīng)力增量均較小。

表1 左幅橋主梁應(yīng)力增量計算結(jié)果 MPa

表2 右幅橋主梁應(yīng)力增量計算結(jié)果 MPa

3.2.2 堆土對橋墩應(yīng)力影響分析

考慮不同堆土支承條件(Kx=0或Kx=∞)情況，意外堆土對左、右幅2#橋墩應(yīng)力增量分別如圖7、圖8所示。

a) Kx=∞

b) Kx=0

a) Kx=∞

b) Kx=0

經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，意外堆土荷載作用下，由于上部結(jié)構(gòu)的約束，Kx=0及Kx=∞時，2#墩的應(yīng)力變化較小，最大應(yīng)力變化0.1 MPa，評估時按2種情況的最不利考慮。

分析結(jié)果表明：左、右幅2#橋墩的最大拉應(yīng)力增量為2.7、3.27 MPa?？紤]最不利堆土壓力與恒載及汽車荷載的共同組合時，左、右幅橋墩會分別產(chǎn)生約1.0、1.17 MPa拉應(yīng)力，雖然意外堆土使橋墩出現(xiàn)了拉應(yīng)力，但小于C30混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa。

3.2.3 意外堆土對橋墩橫向受力影響分析

意外堆土除了對橋縱向有影響外，還會對橋墩橫向產(chǎn)生影響，分別對該橋左、右幅2#橋墩建立模型分析橋墩橫向受力。分析時意外堆土通過三角形荷載布置在意外堆土范圍內(nèi)，土壓力方向沿橋墩橫向。在橋墩蓋梁位置增加一般支撐約束Y向位移。橋墩橫向應(yīng)力增量如圖9所示。

a) 左幅

b) 右幅

分析結(jié)果表明： 意外堆土荷載作用下，左、右幅2#橋墩橫向最大拉應(yīng)力增量為3.48、3.83 MPa?？紤]最不利堆土壓力與恒載及汽車荷載的共同組合時，左、右幅橋墩會分別產(chǎn)生約1.03、1.13 MPa拉應(yīng)力，雖然意外堆土使橋墩出現(xiàn)了拉應(yīng)力，但小于C30混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa。

3.2.4 若上部結(jié)構(gòu)未施工橋墩應(yīng)力評估

若上部結(jié)構(gòu)未施工，此時沒有上部結(jié)構(gòu)對橋墩的支撐作用，意外堆土作用對左、右幅2#橋墩的應(yīng)力如圖10所示。

分析結(jié)果表明： 左、右幅2#橋墩墩內(nèi)最大拉應(yīng)力將分別超過7.4、8 MPa，遠(yuǎn)超混凝土的抗拉強度。意外堆土將會導(dǎo)致橋墩出現(xiàn)環(huán)向裂縫。

3.3 處理建議

根據(jù)以上分析，對于意外堆土可采用以下2種方案進(jìn)行處治：

1) 卸土方案。停止在橋墩附近產(chǎn)生新的填土并有組織地卸除新增填土，卸土?xí)r可從1#～2#墩間開始，卸土過程中，應(yīng)注意盡可能同步、平衡卸除1#～2#墩和2#～3#墩間填土。切忌出現(xiàn)先卸載

a) 左幅

b) 右幅

2#～3#墩間填土再卸載1#～2#墩間填土而使橋墩受力趨于不利的卸土情況。

2) 護(hù)坡方案?，F(xiàn)有填土作用下，雖然結(jié)構(gòu)的受力趨于不利，但尚處于安全范圍內(nèi)，加之卸除現(xiàn)有填土過程中，若控制不力，可能出現(xiàn)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更不利的受力情形，故提出護(hù)坡方案。該方案建議不卸除現(xiàn)有填土，但需采取有力措施保證填土土坡的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1) 在意外堆土荷載作用下，右幅主梁最大拉應(yīng)力增量為0.52 MPa；最大壓應(yīng)力增量為0.50 MPa。左幅主梁最大拉應(yīng)力增量為0.53 MPa；最大壓應(yīng)力增量為0.50 MPa。應(yīng)力增量均較小。

2) 意外堆土導(dǎo)致左、右幅2#橋墩縱向最大拉應(yīng)力增量為2.7、3.27 MPa。橫向最大拉應(yīng)力增量為3.48、3.83 MPa。

3) 由于上述意外堆土是有幸在橋梁上、下部結(jié)構(gòu)形成整體后發(fā)生，此時橋梁上部結(jié)構(gòu)主梁對橋墩提供了有效支撐，使得橋墩的受力趨于有利，才使得填土荷載未對橋墩的受力產(chǎn)生危及結(jié)構(gòu)安全性的影響。如果沒有上部結(jié)構(gòu)對橋墩的支撐作用，在上述填土荷載作用下，墩內(nèi)最大拉應(yīng)力將接近8 MPa，遠(yuǎn)超混凝土的抗拉強度。

4) 針對意外堆土應(yīng)根據(jù)具體需要采取必要的處治方案，確保橋梁安全。

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2017-05-13

萬友元(1976-)，男，工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理。

1008-844X(2017)02-0215-04

U 448.28

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