橋臺側(cè)墻病害分析及預(yù)應(yīng)力鋼棒加固技術(shù)研究

馬寧

U型橋臺因結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強(qiáng)、應(yīng)力不高、抵抗水平推力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在各類橋梁工程中得到普遍應(yīng)用。從現(xiàn)有橋臺損壞問題研究，U型橋臺高度只要不超過8m能夠保持較好的結(jié)構(gòu)性能，但是，如果填土高度大于8m，側(cè)墻都會出現(xiàn)不同情況的開裂，裂縫出現(xiàn)位置基本上都是一致的，往往都在側(cè)墻和前墻銜接處位置。本文在研究中，主要對橋臺側(cè)墻使用現(xiàn)狀進(jìn)行研究，采用Midas/fea仿真分析構(gòu)建當(dāng)前三維空間模型對橋臺側(cè)墻受力情況仿真分析，結(jié)合計(jì)算結(jié)果證實(shí)：在水平凍脹力及車道荷載共同影響下，側(cè)墻底部位置和基礎(chǔ)工程銜接處出現(xiàn)大面積集中應(yīng)力現(xiàn)象，最高拉應(yīng)力達(dá)到2.13MPa超過橋臺結(jié)構(gòu)承受拉應(yīng)力的極限，導(dǎo)致側(cè)墻底部位置和基礎(chǔ)工程銜接處出現(xiàn)裂縫間隙，甚至部分區(qū)域斷裂，造成側(cè)墻向外傾斜度加大，以此得到水平凍脹力是現(xiàn)階段橋臺側(cè)墻出現(xiàn)損壞的主要原因。通過確定側(cè)墻病害原因后，針對性提出橋臺加固方案，應(yīng)該使用預(yù)應(yīng)力鋼棒對錨法對出現(xiàn)問題的側(cè)墻加固，并且全面明確預(yù)應(yīng)力鋼棒設(shè)計(jì)方案和施工步驟。在整個(gè)加工工程完成后，并在后續(xù)使用期間使用動態(tài)化監(jiān)控判斷加固方案是否有效，加固后整體側(cè)墻穩(wěn)定系數(shù)提升，有效保障橋梁工程使用安全，為各類橋臺側(cè)墻加固設(shè)計(jì)及施工提供借鑒意義。

一、橋梁工程概述

某森林公園處于某區(qū)域城市的南部，與郊區(qū)非常接近。與城區(qū)銜接道路主要處于森林公園內(nèi)部，為園區(qū)的主要道路，森林公園有專門設(shè)置游客步行區(qū)域，橋梁主要作為跨水區(qū)域的結(jié)構(gòu)物體，橋梁需要保障游客和小型機(jī)動車通行，但是，園區(qū)出現(xiàn)特殊情況下應(yīng)該可以保證消防救援車輛及其他應(yīng)急車輛通行，按照成A計(jì)算荷載量。橋梁施工方案中南部區(qū)域是1號橋梁，主要使用7跨對稱不等拱橋，北部區(qū)域是2號橋梁，主要使用3跨對稱不等拱橋。1號橋梁上部結(jié)構(gòu)主要使用7跨鋼筋混凝土作為板拱，凈跨徑為（8+10+12+15+12）m，橋梁全長220m。2號橋梁上部結(jié)構(gòu)主要使用3跨鋼筋混凝土板拱，凈跨徑為（9+12+8）m，橋梁全長120m。所有拱圈在施工中，全部使用1/2圓弧，不附帶鉸供，拱圈厚度為45～55㎝，整體構(gòu)造使用C30鋼筋混凝土，橋梁側(cè)墻使用C25混凝土，并且加入片石澆筑而成，外部表面、主拱圈都使用環(huán)氧砂漿粘上相應(yīng)材質(zhì)石材作為裝飾物。在拱圈兩側(cè)位置使用C25混凝土加片石作為護(hù)供結(jié)構(gòu)，所有拱頂和側(cè)墻都使用級配砂礫回填后壓實(shí)。下部結(jié)構(gòu)主要包括拱座、承重臺、樁基三個(gè)部分，都使用C30鋼筋混凝土，基礎(chǔ)施工部分全部使用群樁，樁基直徑達(dá)到1.5m，均采用摩擦樁施工。橋臺側(cè)墻使用C25混凝土，并且加入片石澆筑而成。結(jié)合橋梁工程的要求，側(cè)墻高度及其地基承載力都使用雙層和單層基礎(chǔ)。并且，橋臺側(cè)墻高度大，地基軟弱，依據(jù)側(cè)墻施工要求和承載力大小，主要使用復(fù)合地基、片石+換填的處理方案，并且每段側(cè)墻間都使用3m沉降縫。圖1為2號橋梁工程圖。

圖1 2號橋梁工程圖

二、橋梁工程中橋臺側(cè)墻病害情況分析

1.病害現(xiàn)狀分析

該橋梁于2010年開始施工建設(shè)，并于2018年完成竣工驗(yàn)收，但是，發(fā)現(xiàn)1號和2號橋梁中側(cè)墻都有非常明顯的外傾現(xiàn)象，頂部外傾最為嚴(yán)重，基本上達(dá)到2㎝，底部外側(cè)也有明顯外傾，達(dá)到1㎝，結(jié)合驗(yàn)收組專家意見，對側(cè)墻傾斜情況常態(tài)化觀測，并沒有采取任何處理。2020年8月分別對1號和2號橋梁側(cè)墻傾斜情況進(jìn)行現(xiàn)場勘察，整體側(cè)墻外傾現(xiàn)象更為明顯，1號橋梁頂部傾斜位移達(dá)到6㎝。

2.病害形成原因分析

從橋梁施工理論而言，一般情況壓力大小和側(cè)墻高度有著密切關(guān)系，高度越低，壓力也就越小。研究中側(cè)墻高度不同，但是，最高處達(dá)到10.5m，側(cè)墻臺背全部使用砂礫回填形成，機(jī)動車載荷等級只能達(dá)到城B，通過計(jì)算后判斷出側(cè)墻受力系數(shù)是滿足施工方案設(shè)計(jì)要求的。以往在設(shè)計(jì)過程中，高度重視側(cè)墻高度及地基軟弱的特點(diǎn)，使用復(fù)合地基、片石+換填的處理方案，能夠有效緩解地基存在的問題，保障橋臺側(cè)墻穩(wěn)定性。結(jié)合區(qū)域?qū)嵉乜辈榈弥?，為更好地保護(hù)生態(tài)環(huán)境，充分增強(qiáng)公園的各方面品質(zhì)，所有橋梁竣工使用后，園區(qū)開始大面積蓄水，水位相比較工程修建時(shí)不斷升高，蓄水水面高度超過以往工程設(shè)計(jì)標(biāo)高，整體超出側(cè)墻基礎(chǔ)工程8.6m，側(cè)墻所處位置長時(shí)間在水中浸泡。而且，該區(qū)域湖泊并非是常年都存在的，而是因當(dāng)期氣候原因?qū)儆诩竟?jié)性湖泊，水位高度反復(fù)，在冬季時(shí)期基礎(chǔ)填料部分很容易出現(xiàn)大面積積水，一旦積水后增強(qiáng)凍脹強(qiáng)度，直接會形成膨脹情況，加上填料膨脹增大土層壓力，導(dǎo)致橋臺側(cè)墻傾斜形成。加上，整體側(cè)墻都是使用片石+混凝土形成，整體抗彎拉能力不強(qiáng)，一旦出現(xiàn)浸泡中，水平凍脹力持續(xù)增強(qiáng)，側(cè)墻開始產(chǎn)生變形，而且變形趨勢會隨著時(shí)間加劇。

通過Midas/fea仿真分析構(gòu)建橋臺側(cè)墻三維模型進(jìn)行仿真分析，側(cè)墻全部使用C25混凝土+片石結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)施工部分采用C20混凝土+片石結(jié)構(gòu)形成，水平凍脹力在計(jì)算中根據(jù)《水工建筑物抗凍設(shè)計(jì)規(guī)范》得出。結(jié)合區(qū)域氣象數(shù)據(jù)資料，凍深確定為Wd=150㎝，地下水位深度需要設(shè)計(jì)為Wd=250㎝，橋臺臺背使用砂礫進(jìn)行回填。并且，凍脹分級如表1所示，明確區(qū)域凍脹級別為第二等級，土產(chǎn)生的凍脹力有切向凍脹力、水平凍脹力和法向凍脹力，其中研究中選擇水平凍脹力，土的凍脹等級需要按照表2進(jìn)行確定，選取水平凍脹力的荷載數(shù)值應(yīng)當(dāng)為60kPa。

表1 土的凍脹等級

表2 單位水平凍脹力M

在水平凍脹力和通行車輛荷載影響中，橋臺側(cè)墻應(yīng)力經(jīng)過模擬測算后，底部區(qū)域和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)銜接處應(yīng)力非常集中，最大達(dá)到2.13MPa，超過側(cè)墻設(shè)計(jì)方案承受最大抗拉強(qiáng)度的最大值，這充分證明在凍脹力影響下，側(cè)墻部位出現(xiàn)明顯開裂，并且隨著裂縫加大，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對側(cè)墻束縛作用力越來越小，側(cè)墻外傾力度越來越大，分析結(jié)果和現(xiàn)場勘察情況相同，這證實(shí)水平凍脹力是當(dāng)前此處橋梁產(chǎn)生病害的主要因素。

三、橋臺側(cè)墻加固方案設(shè)計(jì)

在橋臺側(cè)墻加固中，有著諸多加固方案，如反壓回填、預(yù)應(yīng)力對錨法等，都是常用的加固方法。但是，反壓回填在施工中需要很大的空間，并且會對外觀結(jié)構(gòu)改變，一旦采用這種方式會影響到橋梁的美觀性，也會對周圍環(huán)境的和諧性破壞；預(yù)應(yīng)力對錨法在施工中僅僅需要很小的空間，施工成本較低，加固效果好。根據(jù)具體施工區(qū)域情況、交通通行需求、側(cè)墻結(jié)構(gòu)類型、病害形成主要原因等因素的綜合分析，經(jīng)過橋梁施工、設(shè)計(jì)、建設(shè)、監(jiān)理等單位及相關(guān)專家的論證分析，決定使用預(yù)應(yīng)力鋼棒對錨法對側(cè)墻進(jìn)行加固。在施工中，對橋臺側(cè)墻一側(cè)增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力。既可以發(fā)揮出預(yù)應(yīng)力鋼棒的自鎖特性，有利于制約傾斜向外擴(kuò)張，也可以削弱底部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)的拉力水平，充分增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的抗開裂能力，從而充分保障橋臺結(jié)構(gòu)的安全，也能增強(qiáng)橋臺結(jié)構(gòu)的使用壽命。

從具體加固施工步驟而言，在側(cè)墻距離頂部區(qū)域2m位置布設(shè)5排40根直徑20㎜預(yù)應(yīng)力鋼棒。在施工作業(yè)中，將作業(yè)區(qū)域按照不同病害情況進(jìn)行劃分，明確各個(gè)部分使用的張拉鋼筋數(shù)量。針對本次加固區(qū)域中，將作業(yè)區(qū)域劃分為A、B、C、D四部分。其中，在A段施工區(qū)域中，主要使用5排預(yù)應(yīng)力鋼棒，每隔2m設(shè)置一排，并且布置4跟張拉鋼筋。在B段施工區(qū)域中，也是使用5排預(yù)應(yīng)力鋼筋，每隔2m設(shè)置一排，使用3根張拉力鋼筋。在C施工區(qū)域中，也是使用5排預(yù)應(yīng)力鋼筋，每隔2m設(shè)置一排，使用6張拉力鋼筋。在D施工區(qū)域中，也是使用5排預(yù)應(yīng)力鋼筋，每隔2m設(shè)置一排，使用4張拉力鋼筋。所有鋼棒都使用鉆孔方式進(jìn)行固定，通過搭設(shè)鉆孔平臺，使用鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔。在側(cè)墻鉆孔作業(yè)前，需要使用短鉆頭施工作業(yè)，一旦穿過側(cè)墻后，應(yīng)當(dāng)更換長鉆頭，每完成一個(gè)鉆孔，都需要更換巖心管。側(cè)墻中使用的鋼筋都要采用20-2無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒，張力需要控制在0.5fpk。在加固中，需要對側(cè)墻結(jié)構(gòu)受力情況分析，底部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分銜接處最大應(yīng)力應(yīng)該為-0.8MPa，側(cè)墻最大傾斜距離是0.5㎜。這證實(shí)橋臺側(cè)墻底部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)銜接處一直都是受壓狀態(tài)，側(cè)墻外傾情況得到有效緩解，加固效果明顯。為保障橋臺側(cè)墻受力都是相等的，避免側(cè)墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)相互擠壓情況出現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)對所有錨點(diǎn)區(qū)域開槽，深度應(yīng)當(dāng)達(dá)到12.5槽口底部大小為9×10.6㎝，頂部大小為9.5㎝×12.2㎝，槽口底部應(yīng)當(dāng)設(shè)置1.6㎝錨墊板，平面、立體圖如圖2所示。通過計(jì)算可知，混凝土需要承受壓力為278.8kN，符合當(dāng)前局部承壓要求。

圖2 平、立面圖

在所有預(yù)應(yīng)力鋼棒安裝過程中，都需要對已經(jīng)鉆孔的位置進(jìn)行檢查，對其中存在的塌孔和雜物的都要進(jìn)行合理處理；安裝錨具中，錨具、墊板、鋼棒都要一起安裝。并且，預(yù)應(yīng)力鋼棒都需要分級設(shè)置張拉，在施加預(yù)應(yīng)力過程中，需要對橋臺墻體變形情況進(jìn)行監(jiān)測，保障不會形成新的變形。張拉形成后，需要立即使用C40混凝土封閉外部所有錨頭。

四、結(jié)語

文章在研究中，以某公園橋梁建設(shè)中的橋臺側(cè)墻為研究對象，通過對當(dāng)前橋臺側(cè)墻出現(xiàn)問題進(jìn)行全面勘察，分析出橋臺側(cè)墻病害形成的主要影響因素，也利用Midas/fea構(gòu)建三維仿真模型，并且對其進(jìn)行仿真分析，從而得到研究結(jié)論：在水平凍脹力和通行車輛載荷影響中，橋臺側(cè)墻底部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)工程底部結(jié)構(gòu)銜接處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力達(dá)到2.13MPa，超過當(dāng)前混凝土結(jié)構(gòu)所承受的最大抗拉強(qiáng)度，側(cè)墻基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)基本上全部產(chǎn)生不同程度的開裂，并且在地下水位上漲過程中，在反復(fù)冰凍和融化作用下，側(cè)墻開裂程度進(jìn)一步加劇，這說明橋臺側(cè)墻產(chǎn)生開裂的主要原因是水平凍脹力造成的。在找出橋臺側(cè)墻病害形成原因后，制定了預(yù)應(yīng)力鋼棒加固施工方案，使用穿孔施工辦法對橋臺側(cè)墻加固，充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力鋼棒的自鎖性能，制約側(cè)墻外傾擴(kuò)張速度，借助外部施加的壓力調(diào)節(jié)了側(cè)墻受力情況，確保從以往的2.13MPa局部受力轉(zhuǎn)變?yōu)槿渴芰Γ鰪?qiáng)側(cè)墻結(jié)構(gòu)的使用壽命，并且也闡述加固方案的施工流程。在橋臺側(cè)墻加固方案完工后，也對加固橋梁側(cè)墻位置進(jìn)行長期監(jiān)測，后續(xù)側(cè)墻病害問題基本沒有產(chǎn)生，說明預(yù)應(yīng)力鋼棒加固方案可行，形成的加固效果好，為后續(xù)其他橋梁工程中橋臺側(cè)墻加固提供了借鑒依據(jù)。