某橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)在堆載作用下的受力安全分析

張萬(wàn)鵬，郝成英，陳林

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶市 400041；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司)

1 前言

近年來(lái)，隨著中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷發(fā)展和完善，大量橋梁建設(shè)在城市和農(nóng)村中。在既有橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，后期實(shí)施工程將可能與橋梁相交，在既有橋下修建公路、建筑或公園等公共設(shè)施。橋下各類(lèi)工程實(shí)施易產(chǎn)生對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的堆載作用，將會(huì)對(duì)既有橋梁產(chǎn)生影響并對(duì)橋梁安全構(gòu)成威脅，甚至引發(fā)橋梁安全事故。表1為幾起近年來(lái)由堆載作用而造成的橋梁安全事故。

表1 橋梁受損安全事故

針對(duì)上述橋梁安全事故，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了系列研究。宋寧等通過(guò)工程實(shí)例研究橋梁結(jié)構(gòu)損傷發(fā)現(xiàn)橋側(cè)堆載會(huì)使橋墩和上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一系列變位和損傷；孫宗磊等通過(guò)對(duì)某既有橋梁下穿橋梁的建設(shè)工程提出新建橋梁的基礎(chǔ)對(duì)周?chē)翆赢a(chǎn)生的附加應(yīng)力會(huì)引發(fā)既有橋梁的基礎(chǔ)發(fā)生沉降變形；黃清、張浩等從軟件分析和工程實(shí)例的角度驗(yàn)證了堆載是引起墩柱偏移的主要原因；馮忠居等研究提出了當(dāng)橋下堆載不可避免時(shí)，可采用減載、排水、支擋工程的防護(hù)措施保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全。堆載引起的橋梁墩柱偏移受堆載大小、與墩柱的距離、地基土質(zhì)等多種因素影響，墩柱單側(cè)受到堆載作用可能發(fā)生橋梁下部結(jié)構(gòu)的偏移及沉降。該文結(jié)合某大橋建成后的填筑工程及相應(yīng)橋墩護(hù)筒結(jié)構(gòu)防護(hù)措施，通過(guò)該填筑工程引起的堆載作用下護(hù)筒結(jié)構(gòu)靜力分析及施工過(guò)程分析驗(yàn)證該護(hù)筒防護(hù)結(jié)構(gòu)的受力安全可靠性。

2 工程背景

圖1為某既有大橋立面圖，后期景觀填筑工程將在橋下進(jìn)行標(biāo)高229.5 m平場(chǎng)。各橋墩后期最大回填土高度為7.8～17.8 m。該大橋現(xiàn)狀樁頂覆土為0～3.7 m，橋墩為雙柱式橋墩，直徑為1.8 m。

3 護(hù)筒防護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造

既有橋下進(jìn)行高回填時(shí)，由于回填土堆載對(duì)橋墩的作用，將對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。故相應(yīng)防護(hù)措施為設(shè)計(jì)一種可將回填土與橋梁下部結(jié)構(gòu)完全隔離開(kāi)的橋墩護(hù)筒結(jié)構(gòu)，從而避免橋墩樁基受到堆載的直接影響。當(dāng)護(hù)筒沒(méi)有發(fā)生斷裂、傾倒或過(guò)大變形時(shí)，橋體完全不受堆載作用，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)不受堆載影響的目的。該護(hù)筒結(jié)構(gòu)主要承受防護(hù)填土作用下的不均勻側(cè)向力影響，未考慮由于高填方荷載作用下的基礎(chǔ)可能下沉，故主要適用于端承樁或其他支承于巖質(zhì)地基基礎(chǔ)形式的橋墩防護(hù)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 某大橋堆土填筑工程(單位：mm)

護(hù)筒設(shè)置在橋墩周?chē)?，與橋墩保持一定的隔離空間。采用上小下大的階梯護(hù)筒構(gòu)造形式，并考慮承載力采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，材料為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在施工方面，護(hù)筒的澆筑可采用分層澆筑或一次性澆筑的方法；土體回填采用均勻分層回填并壓(夯)實(shí)，以減小土體回填時(shí)的不均勻影響。若設(shè)有墩間橫系梁，應(yīng)同時(shí)設(shè)置護(hù)套結(jié)構(gòu)，避免回填土直接作用在系梁上，如圖3所示，護(hù)套與系梁上下部空隙分別為30、10 cm。

4 堆載作用下護(hù)筒結(jié)構(gòu)分析

填筑平場(chǎng)工程由于采用護(hù)筒防護(hù)結(jié)構(gòu)，故填土完成后護(hù)筒環(huán)側(cè)所受土壓力相比通常單側(cè)堆載情況時(shí)基本對(duì)稱(chēng)，明顯的不均衡側(cè)向土壓力主要發(fā)生在其填土及壓實(shí)過(guò)程中。通過(guò)護(hù)筒結(jié)構(gòu)靜力分析和填筑施工過(guò)程分析來(lái)驗(yàn)算堆載產(chǎn)生的附加土應(yīng)力作用下護(hù)筒的可靠性及填土過(guò)程中的不均衡壓力影響。

圖2 護(hù)筒結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

圖3 橋墩系梁防護(hù)結(jié)構(gòu)立面圖(單位：cm)

4.1 單個(gè)護(hù)筒的結(jié)構(gòu)靜力分析

填筑工程中以最大填筑土體高度6#橋墩處護(hù)筒的受力為最不利(此時(shí)填筑高度為17.8 m)，故僅對(duì)6#護(hù)筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析即可。

4.1.1 最不利分析荷載

分析荷載考慮為6#橋墩處的最不利填筑土體的附加土應(yīng)力，護(hù)筒兩側(cè)考慮0.5 m填筑高差。此外，回填夯實(shí)過(guò)程的夯實(shí)機(jī)械自重和動(dòng)應(yīng)力的影響將會(huì)對(duì)護(hù)筒產(chǎn)生附加側(cè)壓力。碾壓機(jī)械按20 t小型靜力式夯實(shí)機(jī)械計(jì)算。由于該橋所處地區(qū)降雨較多，故考慮降雨情況影響。降雨情況下土體內(nèi)摩擦角依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取正常情況下內(nèi)摩擦角的90%，計(jì)算重度取浮重度。

4.1.2 分析參數(shù)

材料的各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表2。

4.1.3 計(jì)算圖式

在最不利工況下，即護(hù)筒在兩側(cè)填筑土體壓力下，將護(hù)筒假定為一懸臂樁受力狀況，由于采用填土法故護(hù)筒右側(cè)填土比左側(cè)高0.5 m，護(hù)筒的計(jì)算圖示見(jiàn)圖4。

表2 材料參數(shù)

圖4 護(hù)筒計(jì)算圖式(單位：m)

4.1.4 抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算及水平向裂縫寬度驗(yàn)算

抗彎強(qiáng)度及水平裂縫驗(yàn)算時(shí)，護(hù)筒兩側(cè)土壓力均考慮為被動(dòng)土壓力，碾壓機(jī)械引起的附加土壓力則將車(chē)輪荷載擴(kuò)散的荷載考慮為主動(dòng)土壓力。護(hù)筒兩側(cè)被動(dòng)土壓力Ep和車(chē)輪荷載引起的壓力Ea1計(jì)算公式如下：

(1)

式中:γ為土的重度；H為土體的高度；q為機(jī)械車(chē)輛荷載；Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)；Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)。

根據(jù)各個(gè)變截面處截面尺寸及配筋情況，求出相應(yīng)左、右側(cè)土壓力值，進(jìn)而求出承載能力極限狀態(tài)下護(hù)筒變截面處的彎矩值M。參考文獻(xiàn)[6]方法計(jì)算短期效應(yīng)組合引起的開(kāi)裂截面縱向受拉鋼筋的應(yīng)力σss，再根據(jù)公路橋規(guī)求出最大裂縫寬度?？箯潖?qiáng)度及裂縫的驗(yàn)算截面取A-A截面(8 m處變截面)、B-B截面(13.5 m處變截面)、C-C截面(18.3 m處變截面)。護(hù)筒抗彎強(qiáng)度及裂縫寬度驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 護(hù)筒抗彎強(qiáng)度及水平向裂縫寬度驗(yàn)算結(jié)果

4.1.5 護(hù)筒穩(wěn)定性驗(yàn)算

穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，考慮到護(hù)筒右側(cè)土壓力及車(chē)輛荷載產(chǎn)生的土壓力比左側(cè)大，故右側(cè)受力按主動(dòng)土壓力計(jì)算，左側(cè)按被動(dòng)土壓力計(jì)算。護(hù)筒右側(cè)主動(dòng)土壓力Ea2計(jì)算式為：

進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)認(rèn)為護(hù)筒底面右側(cè)點(diǎn)(圖4中O點(diǎn))為最危險(xiǎn)點(diǎn)。求出左、右側(cè)土壓力及車(chē)輪荷載擴(kuò)散土壓力值進(jìn)而得出傾覆和穩(wěn)定力矩，參考GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》取抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為1.6，故護(hù)筒的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)需符合下式：

(2)

式中：Kt為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；Md為穩(wěn)定力矩(由左側(cè)被動(dòng)土壓力計(jì)算得)；Mq為傾覆力矩(由右側(cè)土壓力和車(chē)輪荷載、護(hù)筒自重對(duì)點(diǎn)O力矩計(jì)算得)。

進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，參考規(guī)范取抗滑移穩(wěn)定安全系數(shù)為1.3。護(hù)筒抗滑系數(shù)用基底與土之間的摩擦力和左側(cè)被動(dòng)土壓力水平向值之和同右側(cè)被動(dòng)土壓力水平向值的比表示，應(yīng)滿(mǎn)足下式：

(3)

式中：μ為土對(duì)基底摩擦系數(shù)(參考規(guī)范[11]取0.45)；G為護(hù)筒每延米自重；Ep、Ea1、Ea2分別為左側(cè)被動(dòng)土壓力、右側(cè)主動(dòng)土壓力、車(chē)輛荷載壓力；δ為土對(duì)墻背摩擦角(參考規(guī)范[11]取0.5ψ，ψ為砂性土內(nèi)摩擦角，見(jiàn)表2)。

計(jì)算得護(hù)筒抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Kt=10.2>1.6，抗滑穩(wěn)定系數(shù)Ks=26.6>1.3，同理求出降雨情況下的穩(wěn)定系數(shù)Kt=4.6>1.6，Ks=17.4>1.3，故抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

4.1.6 地基承載力驗(yàn)算

通過(guò)計(jì)算護(hù)筒受到的豎向土壓力和護(hù)筒自重來(lái)計(jì)算護(hù)筒底部應(yīng)力，即地基承載力。分別求得正常情況和降雨情況下的護(hù)筒底應(yīng)力σ0為363、269 kPa，均小于地基承載力特征值400 kPa，故護(hù)筒底面土基承載能力滿(mǎn)足要求。

4.2 填筑施工過(guò)程中堆載作用分析

4.2.1 參數(shù)選取

通過(guò)Midas GTS NX有限元分析6#橋墩護(hù)筒在填土堆載、機(jī)械荷載等作用下分層填筑施工過(guò)程等工況下的橋墩護(hù)筒力學(xué)與變形行為。有限元分析模型材料中填土為砂性土，土體選用理想彈塑性莫爾-庫(kù)侖模型、護(hù)筒結(jié)構(gòu)選用線彈性模型，具體參數(shù)根據(jù)工程勘察狀況及施工用料選取，見(jiàn)表2。

4.2.2 分析工況

根據(jù)填筑方式、機(jī)械位置及重量等確定如下分析工況：工況1：護(hù)筒底部原狀土作為初始應(yīng)力狀態(tài)；工況2：澆筑鋼筋混凝土護(hù)筒；工況3：回填護(hù)筒埋深原狀土；工況4～11：按每層2 m分層填上部砂土；工況12：護(hù)筒兩側(cè)填土0.5 m高差，兩排護(hù)筒之間填土1.3 m，護(hù)筒外側(cè)填土1.8 m，在護(hù)筒填土較高側(cè)將機(jī)械荷載以壓力荷載形式施加。

4.2.3 計(jì)算模型

根據(jù)填筑工程平場(chǎng)標(biāo)高與既有結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，并考慮實(shí)際地形和地質(zhì)情況的影響建立以鋼筋混凝土護(hù)筒和周?chē)鷰r土為研究對(duì)象的三維空間彈塑性有限元模型。

4.2.4 施工過(guò)程中護(hù)筒受力分析

(1)護(hù)筒應(yīng)力：不同分析工況下護(hù)筒的應(yīng)力如圖5所示。

圖5 護(hù)筒應(yīng)力變化圖

由圖5可知：護(hù)筒在分層回填過(guò)程中拉壓應(yīng)力值呈逐漸上升狀態(tài)，且處于工況12時(shí)的受力最為不利，此時(shí)護(hù)筒最大拉應(yīng)力為1.74 MPa，最大壓應(yīng)力為4.28 MPa，均未超過(guò)C30混凝土允許強(qiáng)度值。

(2)護(hù)筒位移：不同分析工況下護(hù)筒的位移如圖6所示。

由圖6可知：① 護(hù)筒在施工過(guò)程中的縱橋向位移很小，橫橋向位移隨施工的進(jìn)行不斷增大。當(dāng)處于工況12時(shí)達(dá)到最不利狀態(tài)，此時(shí)護(hù)筒最大縱橋向位移為8.02 mm，最大橫橋向位移為110.79 mm，因?yàn)樽o(hù)筒與橋墩間距為80 cm，故水平向變形對(duì)橋墩無(wú)影響;② 護(hù)筒在豎向的變形位移遠(yuǎn)大于水平位移，其豎向位移隨著回填施工的進(jìn)行不斷增大且漲幅較大，護(hù)筒豎向變形在工況12下達(dá)到最大。故若既有橋梁設(shè)有橋墩系梁，應(yīng)考慮豎向變形對(duì)系梁防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。建議處理方法有兩種：① 在設(shè)計(jì)和施工防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，在系梁上方與防護(hù)結(jié)構(gòu)下壁間留有大于豎向沉降變形的足夠空間；② 在回填至系梁位置時(shí)再施工系梁的防護(hù)結(jié)構(gòu)，此時(shí)該部位的最終沉降將不再是從施工一開(kāi)始的累計(jì)變形，而是從系梁防護(hù)結(jié)構(gòu)施工后的部分累計(jì)變形。

圖6 護(hù)筒位移變化圖

由于該工程6#墩左幅設(shè)置有墩間系梁，該系梁標(biāo)高為220.2 m?？紤]到混凝土的硬化時(shí)間，系梁護(hù)筒在回填標(biāo)高至217.7 m澆筑，即分析工況7。工況7與12之間的累計(jì)豎向位移差即為該系梁護(hù)套澆筑后在回填施工過(guò)程中最不利工況下的沉降變形計(jì)算值。橋墩護(hù)筒及系梁護(hù)套相對(duì)橋墩發(fā)生了199.763 mm的累計(jì)沉降，小于30 cm(系梁護(hù)套與系梁間空隙)。

上述結(jié)構(gòu)分析表明：橋墩護(hù)筒在分層填筑施工過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)生過(guò)大變形、混凝土開(kāi)裂或壓碎等現(xiàn)象。該工程現(xiàn)已實(shí)施完成，實(shí)踐證明在該高填方土體作用下，橋墩護(hù)筒防護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效地確保橋梁結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)論及建議

當(dāng)橋下堆載不可避免時(shí)，須采用相應(yīng)堆載支擋工程等措施以防安全事故發(fā)生。該文以某既有大橋的填筑工程及相應(yīng)防護(hù)措施為背景，通過(guò)堆載作用下的防護(hù)結(jié)構(gòu)靜力分析與堆載施工過(guò)程有限元分析，對(duì)該結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)算，得出以下結(jié)論及建議：

(1)實(shí)際工程案例分析驗(yàn)證了針對(duì)既有橋梁下堆載提出的橋墩隔離性護(hù)筒結(jié)構(gòu)防護(hù)的可靠性，該護(hù)筒結(jié)構(gòu)可以作為一種橋下高填方土體堆載時(shí)的工程安全措施。

(2)該護(hù)筒結(jié)構(gòu)的工作原理是將堆載對(duì)橋梁的作用轉(zhuǎn)移到與橋梁結(jié)構(gòu)無(wú)直接接觸的外圍防護(hù)結(jié)構(gòu)中，通過(guò)隔離堆載作用的方式避免堆載附加土壓力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)護(hù)筒沒(méi)有發(fā)生斷裂、傾倒或過(guò)大變形時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)完全不受堆載的影響。

(3)堆載過(guò)程分析表明：鋼筋混凝土橋墩護(hù)筒的最不利工況發(fā)生在堆載高度最大時(shí)，此時(shí)的拉壓應(yīng)力值與變形位移均為最大。

(4)護(hù)筒在堆載作用下，其豎向位移遠(yuǎn)大于水平位移。故若設(shè)有墩間橫系梁，應(yīng)考慮系梁防護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。建議通過(guò)增大系梁與護(hù)套的間隙或采用后期澆筑系梁護(hù)套(當(dāng)堆載工程至系梁護(hù)套處再澆筑護(hù)套)的方法，以保證系梁防護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性。