橋墩偏位超限檢測及結(jié)構(gòu)安全性評估

張贊鵬，何宗蔚，唐渝航

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067； 2.招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 400067；3.西藏自治區(qū)交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督局，拉薩 850000)

橋墩是多跨橋梁用以承受上部結(jié)構(gòu)荷載，保證橋梁安全的重要構(gòu)件，一般由承臺、墩身和蓋梁3部分組成。在橋墩建設(shè)過程中，因項目管理、施工隊伍作業(yè)經(jīng)驗以及一線技術(shù)人員現(xiàn)場管控水平參差不齊，致使一些橋梁的橋墩出現(xiàn)了偏位超限，極大地削弱了墩柱承載能力和穩(wěn)定性，降低了橋梁使用壽命[1-9]。

本文以某橋梁為例，對橋墩偏位超限所在第11聯(lián)范圍內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀檢測、實體檢測和安全評估計算，分析和評估橋墩及其樁基礎(chǔ)的承載能力，為橋梁的加固和處治提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

全橋共11聯(lián)，孔徑布置為(6×30)m+(2×30)m+(6×30)m+(2×26.25+17.5)m+(6×30)m+(29.13+29+2×30)m+(4×30)m+4×(6×30)m，橋梁全長 1 641.13 m。橋面標(biāo)準(zhǔn)段寬度為12 m。左幅第11聯(lián)為6跨預(yù)制T梁，墩臺為49#墩～55#臺范圍，橋跨示意如圖1所示；右幅第11聯(lián)為5跨預(yù)制T梁，墩臺為49#墩～54#臺范圍，橋跨示意如圖2所示。第11聯(lián)橋墩均為雙柱墩，墩柱上接蓋梁、下部為樁。

在第11聯(lián)附近進(jìn)行了挖方施工，現(xiàn)場將開挖的棄渣直接傾倒在右幅橋墩旁。

圖1 左幅第11聯(lián)(6跨)橋跨立面示意

圖2 右幅第11聯(lián)(5跨)橋跨立面示意

2 現(xiàn)場檢測

根據(jù)現(xiàn)場樁柱偏位、蓋梁的損壞狀況和地表裂縫變形特征等，初步判定第11聯(lián)橋墩偏位是橋位區(qū)右幅(上方)大量棄渣堆載誘發(fā)坡體變形所致，須對本橋第11聯(lián)外觀、混凝土強(qiáng)度、墩柱偏位等進(jìn)行檢測[10]。

2.1 外觀檢測

1) 樁基外觀檢測

樁基及樁基系梁分別出現(xiàn)大量較規(guī)則的環(huán)向裂縫和“Π”形裂縫，樁基環(huán)形裂縫最長4.2 m，最寬1.10 mm；樁基系梁出現(xiàn)多條“Π”形裂縫，裂縫最長3.5 m，最寬0.80 mm。由于橋位處樁基礎(chǔ)受到右側(cè)棄土擠壓，導(dǎo)致橋位處樁和土存在較大空隙，并造成地面明顯開裂，如圖3(a)所示。

2) 墩身檢測

左幅51#墩～52#墩、右幅49#墩～51#墩墩底均出現(xiàn)環(huán)形裂縫，環(huán)形裂縫最寬0.40 mm，最長3.79 m；橋墩系梁呈現(xiàn)“Π”形裂縫，裂縫最寬0.20 mm，最長2.65 m，如圖3(b)所示。

3) 蓋梁擋塊及T梁檢測

左幅51#墩～52#墩、右幅50#墩～51#墩右側(cè)擋塊由于樁基向左出現(xiàn)較大移位致主梁阻擋而破壞，如圖3(c)所示。第11聯(lián)T梁(跨中和支點部位)未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力裂縫。

(a) 樁周土受擠壓與地面開裂

(b) 墩身開裂

(c) 蓋梁擋塊破損開裂

(d) 支座變形

(e) 伸縮縫損壞

4) 支座檢測

左幅51#墩～52#墩和右幅50#墩～51#墩支座移位、脫空、剪切變形特別嚴(yán)重，部分支座臨近脫落，如圖3(d)所示。

5) 橋面系檢測

右幅49#墩處伸縮縫橫向錯位、損壞，如圖3(e)所示；左幅未見明顯缺陷。

2.2 專項檢測

1) 橋墩整體偏位檢測

采用全站儀對橋墩整體偏位進(jìn)行測量，根據(jù)設(shè)計坐標(biāo)和實測坐標(biāo)來計算橋墩偏位。橋墩偏位坐標(biāo)系分解如圖4所示，橋墩墩底整體偏位實測結(jié)果見表1。

(a) 左幅

(b) 右幅

表1 橋墩墩底整體偏位實測結(jié)果 mm

注：左49-1#是指左幅49#墩(雙墩柱)從左到右第1根墩柱；左49-2#是指左幅49#墩(雙墩柱)從左到右第2根墩柱，其余類同。

由表1可知，第11聯(lián)左幅50#墩～52#墩及右幅49#墩～51#墩柱整體偏位嚴(yán)重超限(限值20 mm)，不滿足規(guī)范要求。

2) 單根墩身偏位檢測

對左幅49#墩～54#墩和右幅48#墩～53#墩墩身的每個墩柱分別測量縱、橫2個方向的垂直度。假設(shè)墩柱地面線或底面為參考不動點，縱向以路線前進(jìn)方向、橫向以向右側(cè)偏位為正，相反方向為負(fù)。左幅49#墩、53#墩、54#墩及右幅48#墩、52#墩、53#墩單根墩身縱、橫向偏位均小于20 mm，實測數(shù)據(jù)未列出，左幅50#墩～52#墩及右幅49#墩～51#墩單根墩身偏位超限(限值20 mm)，結(jié)果見表2。

表2 第11聯(lián)墩身垂直度測量結(jié)果 mm

以左幅49#墩、右幅49#墩實測數(shù)據(jù)為例，分析墩柱偏位規(guī)律，其墩身垂直度曲線如圖5所示。

(a) 左49-1#

(b) 左49-2#

(d) 右49-2#

由圖5可知，左幅49#墩垂直度曲線(墩高-偏位曲線)呈鋸齒狀，非線性關(guān)系，表明施工誤差對垂直度曲線的影響很大，但橋墩垂直度的絕對值不是很大，其余左幅54#墩和右幅48#墩、52#墩、53#墩也有此特征；右幅49#墩垂直度曲線呈現(xiàn)較明顯的規(guī)律性，其余左幅50#墩～53#墩和右幅49#墩～51#墩也有此特征。

3) 墩身強(qiáng)度檢測

左幅49#墩～54#墩、右幅49#墩～53#墩墩柱混凝土回彈強(qiáng)度推定值最小為54.4 MPa，設(shè)計混凝土強(qiáng)度等級為C30，滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

3 安全評估計算

3.1 計算模型

本文以左幅第11聯(lián)為例,采用Midas有限元軟件,建立有限元計算模型[13]，計算模型中x方向為橋梁線路方向，y方向為線路橫斷面(向右為正)方向，z方向為豎直向上方向。模型中所有單元均為梁單元。樁基底部采用一般支撐固結(jié)模擬，巖層頂面至樁基底部范圍內(nèi)的樁基側(cè)面土彈簧剛度采用節(jié)點彈性支撐模擬(每間隔0.5 m設(shè)置1個)，墩柱與蓋梁采用剛性連接模擬，蓋梁與主梁采用鉸接模擬，橋臺處主梁支座采用一般支撐固結(jié)模擬，左幅第11聯(lián)結(jié)構(gòu)計算模型如圖6所示。

3.2 參數(shù)選取

該橋第11聯(lián)范圍內(nèi)原地面土主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積層、沖洪積層和人工填土，基巖主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂巖、泥巖，依據(jù)JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[11]和JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[12]相關(guān)規(guī)定，計算參數(shù)取值見表3。

圖6 左幅第11聯(lián)橋梁整體模型

Fig.6 Overall model of the 11th connecting bridge beam of the left

表3 計算參數(shù)取值

3.3 堆積土對樁基水平推力的確定

土體對樁基產(chǎn)生水平推力，荷載作用范圍為地表至基層，樁基在受力面所受的單位面積荷載為均布荷載，由于整體橫向推力大小無法準(zhǔn)確估計，因此荷載大小只能通過計算確定。支座摩擦力由集中力的形式施加于蓋梁頂面支座墊石位置，其作用方向可根據(jù)支座與T梁偏位判斷，其值大小可根據(jù)支座反力和摩擦力系數(shù)確定。在基層頂面至樁基底部采用“m”[11-14]法模擬樁-巖相互作用，結(jié)構(gòu)受力分析示意如圖7所示。

結(jié)合現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)，推測橋墩發(fā)生偏位受力過程如下：

1) 土體水平推力推動橋區(qū)基巖上方土體移動，導(dǎo)致樁基受到推力作用，樁基移位；

2) 土體水平推力逐漸增大，樁基系梁兩端鋼筋首先開始屈服，形成塑性鉸；

3) 土、巖分界面附近樁基鋼筋屈服，橋墩整體發(fā)生較大平移；

4) 由于相鄰橋墩處的支座對T梁有一定的約束作用，導(dǎo)致T梁亦隨著橋墩發(fā)生位移，又因下部結(jié)構(gòu)與T梁位移不一致，導(dǎo)致蓋梁防震擋塊與T梁馬

圖7 結(jié)構(gòu)受力分析示意

蹄接觸、擠壓發(fā)生破壞。

結(jié)合橋墩發(fā)生偏位的受力過程，通過大量試算得到當(dāng)鋼筋的拉應(yīng)力剛屈服時，各個橋墩樁基所需施加的橫向荷載，結(jié)果見表4。因左幅49#墩、54#墩樁基完全埋于巖石中，表面幾乎沒有土體覆蓋，且墩底基本沒有偏位，因此沒有土體對其產(chǎn)生推力。

表4 樁基鋼筋剛屈服時水平推力

3.4 計算結(jié)果與分析

1) 樁頂橫向偏位

經(jīng)過有限元計算分析并結(jié)合現(xiàn)場外觀、實體檢查數(shù)據(jù),橋梁樁基鋼筋剛屈服時，樁頂?shù)臋M向偏位結(jié)果見表5。

表5 左幅樁基鋼筋剛屈服時樁頂橫向偏位計算結(jié)果 mm

注：數(shù)值前“-”表示方向向左。

由表5可知，左幅49#墩、54#墩樁基完全埋于巖體中，表面幾乎沒有土體覆蓋，因此沒有土體對其產(chǎn)生推力也不會發(fā)生偏位，且實測數(shù)據(jù)顯示樁頂基本沒有偏位[14-15]，左幅50#墩～53#墩樁基現(xiàn)場實測樁基偏位已大幅超過樁基鋼筋屈服時計算偏位，樁基鋼筋已經(jīng)屈服。

2) 左幅橋梁下部結(jié)構(gòu)計算

左幅第11聯(lián)49#墩、54#墩偏位較小，計算結(jié)果表明墩柱及樁基受力、裂縫寬度均滿足規(guī)范要求；50#墩～53#墩墩柱偏位較大，其墩柱及樁基受力或裂縫寬度計算結(jié)果見表6。

由表6可知，50#墩～53#墩土巖分界面附近樁基鋼筋拉應(yīng)力、裂縫寬度、混凝土壓應(yīng)力不滿足規(guī)范要求；51#墩～52#墩樁頂裂縫寬度不滿足規(guī)范要求。

4 綜合評估

通過現(xiàn)場外觀檢測、專項檢測及有限元計算等多種方式，對該橋的橋墩偏位進(jìn)行綜合分析，評估結(jié)論如下：

1) 左幅50#墩～52#墩、右幅49#墩～51#墩樁基及墩身損傷嚴(yán)重。樁頂實測橫向偏位52 mm～772 mm，遠(yuǎn)大于設(shè)計階段樁基鋼筋屈服時的樁頂橫向計算偏位18.0 mm～27.6 mm，墩柱、墩柱系梁和樁基系梁的鋼筋拉應(yīng)力最大值基本都已超過規(guī)范設(shè)計值330 MPa，地面以上樁基和樁基系梁混凝土表面外觀檢測發(fā)現(xiàn)多條裂縫寬度已超過規(guī)范限值0.2 mm要求。

2) 左幅53#墩、右幅52#墩樁基和樁基系梁鋼筋可能屈服。樁頂實測橫向偏位23 mm～24 mm，稍大于設(shè)計階段樁基鋼筋屈服時的樁頂橫向計算偏位21.2 mm～21.9 mm，樁基和樁基系梁鋼筋已經(jīng)屈服，最大拉應(yīng)力值已超過規(guī)范設(shè)計值330 MPa，混凝土表面裂縫寬度已超過規(guī)范限值0.2 mm要求。但對露于地表以上樁基及橋墩構(gòu)件外觀和實體檢測中未發(fā)現(xiàn)明顯病害，這與計算結(jié)果不符，據(jù)此推測支座處實際摩擦力較計算值小，結(jié)構(gòu)實際受力較計算值小。

3) 左幅49#墩、54#墩和右幅48#墩、53#墩，未見損傷。樁頂實測橫向偏位0～7 mm。樁基完全埋于巖體中，表面幾乎沒有土體覆蓋，因此沒有土體對其產(chǎn)生推力，其結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求。墩柱、系梁和蓋梁的結(jié)構(gòu)受力亦滿足規(guī)范要求。

4) 左幅第11聯(lián)T梁和右幅第11聯(lián)及第10聯(lián)最后一跨T梁未見損傷。

表6 左幅第11聯(lián)50#墩～53#墩計算結(jié)果

5 結(jié)論

1) 左幅50#墩～52#墩、右幅49#墩～51#墩樁基及墩身損傷嚴(yán)重，承載能力不滿足規(guī)范及設(shè)計要求，存在重大安全隱患，應(yīng)立即進(jìn)行加固處治。

2) 左幅53#墩、右幅52#墩樁基和樁基系梁實際受力比計算值小，承載能力滿足規(guī)范及設(shè)計要求。

3) 左幅49#墩、54#墩和右幅48#墩、53#墩未見損傷，承載能力滿足規(guī)范及設(shè)計要求。

4) 左幅第11聯(lián)T梁和右幅第11聯(lián)及第10聯(lián)最后一跨T梁未見損傷。

綜上所述，橋位周邊棄渣亂堆亂放對橋梁結(jié)構(gòu)造成極大安全隱患，應(yīng)加強(qiáng)對橋位周邊的棄土、地基開挖等可能使橋墩產(chǎn)生偏位的相關(guān)作業(yè)監(jiān)管，杜絕類似事故再次發(fā)生。