預(yù)應(yīng)力鋼棒在橋臺側(cè)墻加固中的應(yīng)用

徐金華

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司 太原市 030032)

0 引言

U形橋臺因構(gòu)造簡單、基底承載面大、應(yīng)力小、抵抗水平推力能力強等優(yōu)點，在橋梁工程中被廣泛應(yīng)用。U形橋臺適用于填土高度為3～12m的單孔或多孔橋梁，尤其是拱式橋梁。李茂盛[1]對已建和在建的橋臺病害的調(diào)查表明，U形橋臺高度≤8m的均結(jié)構(gòu)良好，而填土高度超過8m的，側(cè)墻均有不同程度的開裂，裂紋發(fā)生的位置基本相同，常發(fā)生在側(cè)墻與前墻交界部位。譚曉琦[2]、張儉[3]、武建等[4]對橋臺病害原因進行了詳細分析，如臺后填土土質(zhì)較差、含有黏性土且壓實度未達到設(shè)計與規(guī)范要求、橋臺地基承載力不滿足要求、橋臺的不均勻沉降導(dǎo)致的附加力、車輛超載等。

以上學(xué)者均未分析凍脹力對橋臺側(cè)墻的影響，通過對橋臺側(cè)墻病害現(xiàn)場分析，在收集既有研究成果的基礎(chǔ)上，采用midas/fea建立三維空間實體模型， 研究了水平凍脹力對橋臺側(cè)墻的影響，得出水平凍脹力為本橋橋臺側(cè)墻外傾的主要因素，確定了采用預(yù)應(yīng)力鋼棒對錨法作為本橋側(cè)墻加固的實施方案，加固后橋臺側(cè)墻外傾趨于穩(wěn)定，取得了很好的施工效果，其成功經(jīng)驗值得推廣借鑒。

1 工程概況

竹溪湖濕地公園位于某市城區(qū)西部，緊鄰城區(qū)。連接道路位于濕地公園范圍內(nèi)，為園區(qū)主干道路，濕地公園園區(qū)為專供游人通行區(qū)域，橋梁為跨越水系的結(jié)構(gòu)物，橋梁主要考慮游人和電瓶車通行，但在特殊情況下需考慮通行消防車輛或其他緊急車輛通行要求，按城B進行荷載驗算。

橋梁方案為南側(cè)1號橋采用3跨對稱不等跨拱橋，北側(cè)2號橋采用5跨對稱不等跨拱橋。1號橋上部結(jié)構(gòu)采用3跨鋼筋混凝土板拱，凈跨徑組合為(10+12+10)m，橋梁全長110m。2號橋上部結(jié)構(gòu)采用5跨鋼筋混凝土板拱，凈跨徑組合為(10+12+14+12+10)m，橋梁全長150m。

拱圈均采用1/2圓弧無鉸拱，拱圈厚度40～50cm，采用C30鋼筋混凝土，橋梁側(cè)墻采用C25片石混凝土立模澆注，外立面、主拱圈采用環(huán)氧砂漿粘貼石材進行裝飾。拱圈兩側(cè)設(shè)置C20片石混凝土護拱，拱頂、側(cè)墻內(nèi)采用級配砂礫回填壓實。

下部結(jié)構(gòu)拱座、承臺、樁基均采用C30鋼筋混凝土，基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，樁基直徑為1.2m，按摩擦樁設(shè)計。橋臺側(cè)墻基礎(chǔ)采用C20片石混凝土擴大基礎(chǔ)。根據(jù)側(cè)墻的高度及要求的地基承載力，分別采用雙層基礎(chǔ)和單層基礎(chǔ)。考慮橋梁側(cè)墻較高，地基土濕軟，根據(jù)側(cè)墻的基礎(chǔ)要求承載力，分別采用了復(fù)合地基(CFG樁)、片石擠淤+換填砂礫的處置方案，并在每段側(cè)墻之間設(shè)置2cm沉降縫。圖1為竹溪湖1號景觀橋立面圖。

圖1 竹溪湖1號景觀橋立面圖

2 病害描述

竹溪湖公園景觀橋于2013年開工建設(shè),2015年5月份進行竣工驗收時，發(fā)現(xiàn)1、2號拱橋側(cè)墻發(fā)生整體外傾現(xiàn)象，頂部外傾位移為2cm，底部外傾位移為1cm，根據(jù)相關(guān)專家意見，對側(cè)墻外傾現(xiàn)象加強觀測，未進行處理。2019年4月再次對1、2號拱橋側(cè)墻進行現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)側(cè)墻整體外傾現(xiàn)象加劇，1號橋的頂部側(cè)墻位移達到5cm。

3 病害原因分析

理論上土壓力的大小與橋臺側(cè)墻高度密切相關(guān)，高度越高，土壓力越大[5]。本橋側(cè)墻最大高度為9.3m，側(cè)墻臺背采用砂礫進行回填，汽車荷載等級為城B，經(jīng)計算分析側(cè)墻受力滿足設(shè)計要求。原設(shè)計考慮橋梁側(cè)墻較高、地基土濕軟，采用了復(fù)合地基(CFG樁)、片石擠淤+換填砂礫的處置方案，可排除地基不均勻沉降引起橋臺側(cè)墻外傾。通過現(xiàn)場核實調(diào)查，為促進生態(tài)恢復(fù)，著力提升公園的生態(tài)、休閑、娛樂功能及品位，景觀橋建成通車后，公園園區(qū)長期蓄水，水位持續(xù)升高，蓄水水面標高較原設(shè)計水位大幅提高，水位高出橋臺側(cè)墻基礎(chǔ)底面6.5m，橋臺側(cè)墻長期處于浸泡狀態(tài)。分析認為竹溪湖為季節(jié)性湖泊，園區(qū)水位反復(fù)升降，冬季臺后填料部分容易積水，當積水發(fā)生凍脹效果后，會產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象，臺后填料的膨脹會導(dǎo)致土壓力顯著增大，最后導(dǎo)致側(cè)墻外傾。因整個側(cè)墻采用的片石混凝土墻身，墻體抗彎拉能力較差，在臺后填料浸水狀態(tài)下，受水平凍脹力作用下，側(cè)墻發(fā)生變形，且變形還有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。

采用midas/Fea建立橋臺側(cè)墻三維仿真有限元模型，側(cè)墻采用C25片石混凝土，基礎(chǔ)采用C20片石混凝土，水平凍脹力計算按照土的凍脹級別參照 《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》[6](GB/T 50662—2011)進行取值。通過查閱當?shù)氐臍庀筚Y料，設(shè)計凍深為Zd=100cm，天然地表或設(shè)計地面高程算起的地下水位深度為Zw=200cm，本橋臺臺背采用砂礫回填，凍脹量可參考 《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》[6](GB/T 50662—2011)附錄C由圖C.0.2-3查表為3.5cm，對照《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》(GB/T 50662—2011)土的凍脹分級如表1所示，可得本地區(qū)土的凍脹級別為Ⅱ級，土的凍脹力包括切向凍脹力、水平凍脹力和法向凍脹力，其水平凍脹力可根據(jù)土的凍脹級別按表2進行取值，本次計算取水平凍脹力荷載值為50kPa，其空間有限元模型如圖2所示。

表1 土的凍脹分級

表2 單位水平凍脹力σh

圖2 橋臺側(cè)墻空間有限元模型

在水平凍脹力及車道荷載作用下，橋臺側(cè)墻的應(yīng)力云圖如圖3所示，計算分析結(jié)果表明，橋臺側(cè)墻底部與基礎(chǔ)交界處產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力達到1.85MPa，大于C20片石混凝土抗拉強度設(shè)計值，說明在凍脹力作用下，側(cè)墻基礎(chǔ)發(fā)生開裂，隨著裂縫的發(fā)展，基礎(chǔ)對側(cè)墻的約束越來越弱，側(cè)墻的外傾現(xiàn)象也越來越明顯，分析結(jié)果與現(xiàn)場情況一致，說明水平凍脹力為側(cè)墻病害的主要原因。

圖3 橋臺側(cè)墻應(yīng)力云圖(單位：MPa)

4 加固設(shè)計方案

反壓回填、體外支護、預(yù)應(yīng)力地錨、預(yù)應(yīng)力對錨為側(cè)墻加固的常用措施。反壓回填、體外支護需要占用較大的空間，同時將改變結(jié)構(gòu)的外觀，如采用以上兩種方法將嚴重影響景觀橋的美觀性及周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性；而預(yù)應(yīng)力地錨、預(yù)應(yīng)力對錨法具有占地少、經(jīng)濟適用、效果顯著等優(yōu)點。結(jié)合實際地形、交通需要、側(cè)墻結(jié)構(gòu)形式及病害成因等因素，經(jīng)橋梁設(shè)計、建設(shè)、施工、監(jiān)理等單位及有關(guān)專家共同研究, 擬采取預(yù)應(yīng)力鋼棒對錨法加固側(cè)墻。通過對橋臺側(cè)墻施加預(yù)應(yīng)力，一方面可以通過預(yù)應(yīng)力鋼棒對錨法的自鎖原理，限制側(cè)墻的外傾現(xiàn)象，另一方面可以降低側(cè)墻底部與基礎(chǔ)交界處結(jié)構(gòu)主拉力水平，提高結(jié)構(gòu)抗開裂能力，從而確保結(jié)構(gòu)安全并提高耐久性。

具體加固方法是:在距側(cè)墻頂端2m(A、B塊范圍內(nèi))布置3 排共20根直徑16mm預(yù)應(yīng)力鋼棒見圖4)。側(cè)墻A塊范圍內(nèi)：第一排距頂端2m 縱向布置4根張拉鋼筋, 間距2.0m;第二排距頂端4m 布置3根張拉鋼筋;間距2.0m；第三排距頂端6m 縱向布置4 根張拉鋼筋, 間距2.0m。側(cè)墻B塊范圍內(nèi)：第一排距頂端2m 縱向布置4根張拉鋼筋,間距2.0m;第二排距頂端4m 布置3根張拉鋼筋，間距2.0m；第三排距頂端6m 縱向布置2 根張拉鋼筋,間距2.0m。

圖4 側(cè)墻錨孔示意圖(單位：cm)

鉆孔時在側(cè)墻外側(cè)搭設(shè)鉆孔平臺，采用XY-2鉆機自下而上進行鉆孔,從東側(cè)向西側(cè)鉆進。在側(cè)墻上鉆孔時先用短鉆具開孔鉆進, 鉆穿側(cè)墻混凝土后, 換長鉆具鉆進, 每鉆完一根, 加一根巖芯管跟管鉆進。側(cè)墻對拉預(yù)應(yīng)力鋼筋采用直徑16-2無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒，鋼筋張拉控制應(yīng)力0.5fpk，即每根鋼棒張拉力為142.7kN,其設(shè)計方案見圖5。

圖5 側(cè)墻橫向拉桿示意圖(單位：cm)

在側(cè)墻施加預(yù)應(yīng)力進行加固基礎(chǔ)上，對側(cè)墻在組合荷載作用下結(jié)構(gòu)受力進行受力分析，計算結(jié)構(gòu)表明，側(cè)墻底部與基礎(chǔ)交界處最大應(yīng)力為-1.2MPa，側(cè)墻的最大位移為0.5mm。

說明側(cè)墻底部與基礎(chǔ)交界處處于受壓狀態(tài)，側(cè)墻的外傾現(xiàn)象得到控制，加固效果顯著。

圖6 槽口平、立面圖(單位:cm)

安裝預(yù)應(yīng)力鋼棒前應(yīng)對鉆孔重新進行檢查，對塌孔、掉塊等進行清理或處理;安裝錨具時，錨具、錨墊板、預(yù)應(yīng)力鋼棒必須同軸安裝。預(yù)應(yīng)力鋼棒應(yīng)分級張拉，施加預(yù)應(yīng)力時要隨時監(jiān)測墻體的變形情況，確保橋臺不產(chǎn)生新的變形。張拉完成后，及時采用C40混凝土封閉外錨頭。

5 結(jié)論

以竹溪湖濕地公園景觀橋側(cè)墻為研究對象，通過對側(cè)墻病害現(xiàn)狀進行調(diào)查，分析了導(dǎo)致側(cè)墻病害可能原因，利用MIDAS/FEA軟件建立側(cè)墻三維仿真有限元模型，并對其進行仿真分析,得出如下結(jié)論：在水平凍脹力及車道荷載作用，側(cè)墻底部與基礎(chǔ)交界處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力達到1.85MPa，大于C20片石混凝土抗拉強度設(shè)計值，側(cè)墻基礎(chǔ)在應(yīng)力集中部位發(fā)生開裂，隨著竹溪湖濕地公園水位的不斷升降變化，在反復(fù)凍融狀態(tài)下，基礎(chǔ)裂縫繼續(xù)發(fā)展，側(cè)墻外傾現(xiàn)象進一步加劇，分析結(jié)果表明，水平凍脹力為側(cè)墻病害的主要原因。在確定側(cè)墻病害外傾的主要原因后，提出了橋臺側(cè)墻加固方案，采用對穿預(yù)應(yīng)力鋼棒法對橋臺側(cè)墻進行加固，通過預(yù)應(yīng)力鋼棒對錨法的自鎖原理，限制側(cè)墻的外傾現(xiàn)象，施加的體外力改善了側(cè)墻的受力狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)由受拉狀態(tài)(最大拉應(yīng)力1.85)轉(zhuǎn)換為全截面受壓狀態(tài)，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性；并詳細闡述了預(yù)應(yīng)力鋼棒設(shè)計及施工流程。側(cè)墻加固后，對橋臺側(cè)墻進行長期觀測，側(cè)墻病害得到控制，驗證所采用的加固設(shè)計方案可行，加固效果良好，為橋臺側(cè)墻的加固設(shè)計及施工提供了借鑒。