橋墩傾斜偏位的仿真分析與處治

賴斌強

（廣東省南粵交通河惠莞高速公路管理處，廣東 廣州 510199）

0 引言

橋墩是橋梁中主要的承重結構，其結構的安全性直接影響整橋的安全與穩(wěn)定?；总浲烈蚴艿讲黄胶庾饔昧蟀l(fā)生沉降及較大側(cè)向變形的可能性較大，從而引發(fā)樁基處及臨近墩柱變形，影響橋梁持續(xù)運營。橋梁樁基直徑大、造價高，在表現(xiàn)出變形和偏位后幾乎不可能在原位重新成樁，故對橋墩樁基糾偏處理就顯得尤為重要。

1 工程概況

某橋梁左幅橋跨徑為3×30m+4×30m+3×30m，上部為預應力混凝土簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁，橋面縱坡度2.5%，橋頭高差8.1m，橋?qū)?2.25m，兩側(cè)分別設置0.5m 寬的防撞護欄。左幅1～3墩和6～8墩為雙柱式墩，墩身圓立柱直徑1.0m，高8.5～13.5m，柱間距4.5m；柱頂部設置1.3m 高、1.6m 寬的蓋梁，柱下方灌注樁基礎直徑為1.2m，樁長最大為24m，均采用摩擦樁形式。4、5墩為交接墩，均采用實體矩形墩形式，墩高12.5m，橫橋向和順橋向長度分別為5m 和1.5m，墩身下方為7.3m 長、5.2m 寬、2.0m 高的承臺。除左幅9臺為重型橋臺外，其余均采用輕型橋臺形式。該橋梁設計標準為公路-Ⅰ級，設計荷載為汽車-20 級，掛車-100。

2 橋墩傾斜偏位檢測

對該橋梁左幅0臺～2墩、7墩～9臺橋墩偏位展開檢測，結果顯示，主梁及橋面系均無異常，0臺2個支座存在嚴重剪切變形，1墩2 個支座破損，其余支座全部脫落；8墩6 個支座破損，其余2 個支座全部脫落；9臺所有支座均局部脫空。蓋梁、墩柱、系梁并未表現(xiàn)出開裂、破損等病害，但是0臺、1及2墩、7及8墩蓋梁頂中心向河流側(cè)偏移0.045m、0.421m、0.110m、0.052m、0.234m，9臺相對位置偏移0.063m。1墩柱頂面出現(xiàn)1.8%的傾斜度，向河流側(cè)傾斜0.13m；8墩柱頂面則表現(xiàn)出0.68%的傾斜度，向河流側(cè)傾斜0.054m，其余墩柱頂面傾斜度均不超出《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》（JTG F80-1—2017）所規(guī)定的0.3%的限值。

3 數(shù)值仿真分析

結合實際勘測結果，該橋梁左幅1墩偏位最為嚴重，故以1墩為分析對象。1墩直徑為1.0m，左右墩高度均為8.5m，墩頂高程16.957m，樁徑1.2m，樁長24m，樁底及樁土接觸面高程分別為-17.054m、8.5m；樁、柱、蓋梁均采用C30 混凝土。

3.1 模型構建

應用MIDAS/Civil 有限元程序建模，并采用Solid45 實體單元進行土層內(nèi)摩擦角、黏聚力、膨脹角等材料單元模擬，并劃分不同材料屬性，確定參數(shù)值。橋墩下層規(guī)則填土采用六面體劃分，上層不規(guī)則填土以及蓋梁、系梁、柱、樁等則通過四面體劃分。有限元模型圍繞樁中心，橫橋向兩側(cè)、臨近河岸側(cè)均按照40m 確定，為降低邊界影響程度，模型尺寸大于樁徑。

3.2 數(shù)值分析

通過依次分析排查縱坡、施工、溫度、混凝土收縮徐變、活載、地質(zhì)條件等因素對墩柱偏位影響程度的大小以及與檢測情況的吻合程度，初步認定為行車制動、溫度、縱坡等是造成墩柱偏位的主要方面。為此，針對該橋梁左幅2、7墩展開橋梁在受到縱坡作用后偏位程度的數(shù)值模擬，并針對左幅3、6墩展開橋梁墩柱受到行車制動力、溫度影響后的位移變化模擬。

3.2.1 縱坡作用

結合力學基本原理，通過手動方式計算特定縱坡下上部主梁對橋墩所施加的水平力

F

和

F

，再將計算得到的水平力

F

和

F

施加于固定墩或交接墩墩頂，并進行水平力作用后墩柱偏位值的計算，計算原理具體見圖1和圖2。圖中

L

為單幅橋長，

V

為輔助變量，

G

為結構自重力，

i

%為傾斜坡度，a 為

G

或

G

與

V

夾角。從圖中可以看出，在特定縱坡下，交接墩墩頂所承受的因結構自重所施加的上坡向分力為

F

= sina×

V

=

G

×sina×cosa；在特定縱坡下固定墩頂所承受的因結構自重所施加的下坡向分力為

F

=

G

×sina。

圖1 交接墩頂水平力計算原理

圖2 固定墩頂水平力計算原理

根據(jù)現(xiàn)場勘察結果，2墩支座安裝不平，按照所提出的交接墩頂水平力計算原理，交接墩主要承受上坡向水平力，結合橋梁設計圖中的參數(shù)取值，考慮單跨上部恒載和二期恒載后的橋墩結構自重為4500kN，則交接墩頂上坡向水平力

F

=4200 ×0.045358×0.997890=190.4kN。在墩底固結的情況下，應用MIDAS/Civil 有限元程序展開數(shù)值模擬，在縱向結構自重分力的影響下，交接墩頂上坡向表現(xiàn)出132.8mm 的偏位。7墩支座存在安裝不平、卡死等問題，基本不具備滑動功能，故采用固定墩頂水平力計算原理進行分析。固定墩所承受的下坡向水平力為

F

，根據(jù)設計要求，考慮單跨上部恒載和二期恒載后的橋墩結構自重為4500kN，固定墩頂下坡向水平力

F

=4200×0.045358=190.6kN。在墩底固結的情況下，應用MIDAS/Civil有限元程序進行數(shù)值模擬，在縱坡自重分力影響下，7墩頂下坡向表現(xiàn)出73.1mm 的偏位。

3.2.2 溫度力作用

隨著橋梁運行環(huán)境溫度的變化，溫度力表現(xiàn)出周期性變化趨勢，在其他橋梁運行因素的影響下，支座和墩頂在梁體自重的制約下存在殘余位移，且這種殘余位移逐年累積。該橋梁所在地區(qū)年氣溫均值18.1C，極端最高、最低溫度分別為40.8C 和-3.9C，實測溫度17.6C。應用MIDAS/Civil 有限元程序進行橋墩墩柱在溫度升高23.2C 的過程中水平位移情況的數(shù)值模擬，根據(jù)分析結果，4和5交接墩分別表現(xiàn)出上坡向9.6mm 和下坡向12.1mm 的偏位。

3.2.3 制動力作用

在行車制動力的影響下，固定墩主要承受與行車向一致的水平力

F

，在該作用力下，固定墩必將產(chǎn)生行車向偏位；制動力帶動梁體與支座上鋼板向行車向滑動，故在交接墩墩頂支座下必將產(chǎn)生反行車向水平力

F

，進而使交接墩表現(xiàn)出反行車向偏位。

該橋梁單幅為兩車道設計，結合《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015），在1 聯(lián)長度上施加（3×30+10.5+260）×2×0.1 的制動力，該制動力未超出規(guī)范所規(guī)定的330kN 的設計值，故按330kN 取值；在2 聯(lián)長度上施加（4×30+10.5+260）×2×0.1 的制動力，該制動力為372kN，超出規(guī)范所規(guī)定的330kN 的設計值，故按372kN 的實際值取值。按照《公路橋梁盆式支座》（JT/T391—2009）的規(guī)定，活動支座摩擦系數(shù)按照0.03 取值，基于此，進行恒載及溫度作用下支座靜摩阻力計算，結果見表1。根據(jù)表中計算結果，在縱坡作用、行車制動力及溫度力的影響下，1墩頂推力＞靜摩阻力，支座出現(xiàn)滑移的可能性較大，為此應解除梁體和該橋墩間順橋向約束，同時以支座摩阻力為節(jié)點荷載施加于墩頂和梁體，并確保制動力方向和墩頂節(jié)點荷載作用方向一致。應用MIDAS/Civil 有限元程序進行數(shù)值模擬，在行車制動力的影響下，4和5交接墩上坡向分別出現(xiàn)22.7mm 和12.0mm 的偏位。

表1 支座靜摩阻力計算結果

表1（續(xù)）

4 橋墩偏位原因及糾偏方法

4.1 橋墩偏位原因

結合有限元仿真分析及實際勘測結果，該橋梁所處區(qū)域土質(zhì)較差，以中等壓縮性重～中粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土～重粉質(zhì)壤土、砂礫卵石為主，且南岸淤泥質(zhì)土層厚度比北岸大，故南岸的1～2橋墩比北岸的7～8橋墩樁頂偏位嚴重，樁身也更為彎曲。該橋梁兩岸并未設置稱重限載設施，超載超限車輛頻繁通行，且兩岸河堤治理工程中攪拌樁開挖施工同時進行，橋梁覆蓋層中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土屬于靈敏度較高土體，超載超限車輛通行及周圍攪拌樁施工所產(chǎn)生的震動對土層擾動大，使土體抗剪強度衰減，淤泥層表現(xiàn)出明顯的側(cè)向擠出效應。這種側(cè)向推擠作用加重了橋墩樁基向河中心向的偏位。

4.2 糾偏方法

該橋梁橋墩傾斜偏位可以采用兩種糾偏方法：一是強制恢復法，即在墩柱側(cè)埋置地錨，借助鋼絲繩和手拉葫蘆向橋墩施加拉應力，同時在墩柱另一側(cè)向樁頂系梁施加推力，促使樁柱回位。在以上過程中為防止出現(xiàn)超回位，必須在糾偏措施實施前進行橋墩最大拉應力值計算，在糾偏期間加強觀測，避免出現(xiàn)裂縫。這種糾偏方式所需水平力較大，并可能造成橋墩結構損傷。二是應力釋放法，即在墩柱偏位另一側(cè)靠近樁基處打設應力釋放孔，并保證孔深大于軟土層影響深度，在樁側(cè)形成回位空間。待達到糾偏目的后及時通過砂礫回填應力釋放孔，并加固地基。

4.2.1 打設應力釋放孔

橋墩樁基偏位因不良地質(zhì)條件和外界荷載的作用而形成，該橋墩樁基偏向河流側(cè)，故在偏位嚴重的橋墩岸坡側(cè)打設9 個應力釋放孔以釋放土層應力，便于橋墩受到土壓力作用后起到糾偏效果。鉆孔工藝與鉆孔灌注樁相同，成孔后在孔內(nèi)填充袋裝砂卵石，并將適宜尺寸的竹籠下放至孔內(nèi)避免塌孔。應力釋放孔的布置具體見圖3，孔與橋墩間距為1.5m，孔距1.0～1.25m，孔深12m，孔徑30cm。

圖3 橋墩應力釋放孔（單位：m）

4.2.2 設置高壓旋噴樁并新增樁基承臺

考慮到橋址區(qū)淤泥層較厚且地質(zhì)條件復雜，故通過設置高壓旋噴樁，在進行橋墩樁基糾偏的同時加固地基。具體而言，在偏位比較嚴重的橋墩四周設置115 根樁徑50cm、樁長14m 的高壓旋噴樁，高壓旋噴樁的施工必將產(chǎn)生較大的擠土效應，促使樁基回位。

結合橋墩偏位勘察結果，偏位較大的橋墩樁基已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，故在完成高壓旋噴樁施工后還必須通過新增樁基承臺的方式托換偏位較大橋墩基礎。將4 根樁徑1.0m、樁長同原樁的新樁布置在原橋墩兩側(cè)，保持新承臺底面與原系梁齊平，新增樁基承臺和原橋墩通過植筋方式連接，具體見圖4。所設置的樁基承臺分兩次澆筑，第一次澆筑外側(cè)，待完成橋墩頂推糾偏后再澆筑承臺中間。

圖4 橋墩新增樁基承臺側(cè)立面（單位：m）

5 結語

綜上所述，本文分析出的支座施工時未調(diào)平處理、縱坡較大、溫度力及行車制動力等造成橋墩傾斜偏位的原因符合橋梁實際，所提出的橋墩傾斜偏位處治方案也得到橋梁管理部門的認可和采納。為避免類似病害情況的再次發(fā)生，橋梁管理部門必須加大對縱坡橋梁支座運行過程的監(jiān)管和定期養(yǎng)護，變事后防治為事前預防和事中管控。