白鵬翔 劉 洋
(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西西安 710075)
橋梁在外界因素影響下,梁體及橋墩發(fā)生偏移的類似事故屢見不鮮。例如橋梁結(jié)構(gòu)受溫度力、收縮徐變、支座設(shè)置不合理、橋梁兩側(cè)堆土等外界因素的影響下,橋梁上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)均有可能發(fā)生橫向或縱向的位移變形,若變形過大將造成橋梁結(jié)構(gòu)受力性損傷,對橋梁的安全運(yùn)營造成極大隱患。
本文中,以國內(nèi)某座發(fā)生偏位事故的橋梁為例,針對其出現(xiàn)的各種病害特征,進(jìn)行分析、模擬,找到病害的真實(shí)原因,為同類病害的處治提供可靠依據(jù)。
某高速公路特大橋上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ),中間墩處墩梁固結(jié)。2012年11月養(yǎng)護(hù)部門在巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)該橋38號、42號墩頂處梁體發(fā)生相對錯(cuò)位,經(jīng)初步檢測,在38號墩處,兩聯(lián)梁體相對錯(cuò)位3 cm;42號墩處相對錯(cuò)位達(dá)8.5 cm,整體表現(xiàn)為第13聯(lián)箱梁(4×30 m)整體向路線右側(cè)移動。2013年檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)梁體相對錯(cuò)位有增大趨勢,42號墩處相對錯(cuò)位約為9 cm。同時(shí),38號、42號墩柱上支座存在不同程度的剪切變形,其變形規(guī)律與梁體相對錯(cuò)位規(guī)律相吻合(見圖1)。同時(shí),在檢測中發(fā)現(xiàn)墩柱存在偏位、支座剪切變形、墩柱系梁開裂等現(xiàn)象,經(jīng)過認(rèn)真分析各種病害,發(fā)現(xiàn)病害均具有一定的規(guī)律性。
圖1 第13聯(lián)梁體偏位、支座剪切變形示意圖
1)墩柱偏位:對第13聯(lián)、14聯(lián)墩柱豎直度測量,情況如下:a.兩聯(lián)墩柱絕大多數(shù)存在橫向傾斜,傾斜墩柱占全部墩柱的81%;且相對于柱間系梁位置,柱頂最大偏移量達(dá)5.9 cm,超過規(guī)范限值(2 cm);b.從測量結(jié)果看,傾斜總體規(guī)律是第13聯(lián)墩柱多數(shù)向右側(cè)傾斜,第14聯(lián)墩柱多數(shù)向左側(cè)傾斜(見圖2)。2)柱間系梁開裂:系梁豎向裂縫集中發(fā)生在系梁與墩柱連接部位附近,裂縫寬度在0.05 mm~0.25 mm之間。總體表現(xiàn)形態(tài)如下:a.左、右幅第13聯(lián)、14聯(lián)橋梁柱間系梁多數(shù)均有開裂,對應(yīng)墩柱系梁裂縫開展形式大致相同。b.同一系梁靠近左、右側(cè)墩柱裂縫形態(tài)有異,即一側(cè)裂縫為由下向上開展,另一側(cè)裂縫為由上向下開展。c.對于同一幅橋梁的柱間系梁,裂縫表現(xiàn)形式呈隔墩相同趨勢(見圖3)。
圖2 墩柱偏位示意圖
圖3 系梁裂縫分布形式統(tǒng)計(jì)圖
從現(xiàn)場檢測情況來看,第13聯(lián)、14聯(lián)橋下堆土現(xiàn)象較為嚴(yán)重,堆土深度10 m~12 m,根據(jù)橋梁巡查人員及附近居民掌握的情況,橋下堆土?xí)r間集中發(fā)生于2012年9月份,在11月份的日常巡查中,發(fā)現(xiàn)本橋出現(xiàn)梁體偏位等病害,而在2012年以前的常規(guī)檢測中并未發(fā)現(xiàn)此類病害。因此,從病害產(chǎn)生的時(shí)間看,結(jié)合系梁開裂等情況,初步推測是橋下堆土造成梁體偏移、系梁開裂及墩柱傾斜、支座剪切變形等病害(見圖4)。從本橋病害的表現(xiàn)形式看,第13聯(lián)箱梁在整體向路線右側(cè)錯(cuò)位(平動)的同時(shí),也存在轉(zhuǎn)動位移;而第14聯(lián)箱梁在42號墩處存在向路線左側(cè)偏移(轉(zhuǎn)動)情況,結(jié)合系梁裂縫開展規(guī)律(呈隔墩分布趨勢),可初步推測,橋下堆土造成本橋病害,但堆土方式是決定病害程度、病害規(guī)律的重要影響因素。因此,根據(jù)病害情況對堆土方式的模擬是分析病害成因、結(jié)構(gòu)評估及加固處治的重要依據(jù)。
圖4 橋下堆土現(xiàn)狀
采用Midas Civil有限元軟件建立兩聯(lián)橋梁整體模型,對土壓力的大小和方向試算,以盡可能的模擬橋墩、系梁和上部小箱梁在土壓力下的變形和受力情況。
在計(jì)算模型中,通過調(diào)整各固結(jié)墩所受土壓力的大小(土壓力方向暫按徑向加載,考慮堆土對原樁周土的作用)來模擬橋梁的實(shí)際受力狀態(tài)(見圖5,圖6)。最終計(jì)算結(jié)果如下。
圖5 模擬土壓力作用下上部橫向位移圖
圖6 模擬第13聯(lián)系梁彎矩圖
從計(jì)算結(jié)果看,在模擬土壓力作用下:
1)第13聯(lián)38號墩、42號墩處箱梁橫向位移分別為35 mm,54 mm;第14聯(lián)42號墩處箱梁橫向位移為-24 mm;箱梁橫向位移結(jié)果基本與病害相吻合。2)系梁受力模式與系梁病害表現(xiàn)規(guī)律基本一致,呈隔墩相同趨勢,即整聯(lián)墩柱受土壓力是不均勻的。3)墩柱偏位趨勢基本與現(xiàn)場測量相吻合,即第13聯(lián)整體向路線右側(cè)偏位,第14聯(lián)小樁號側(cè)有向路線左側(cè)偏位的趨勢。
雖然從現(xiàn)場堆土情況看,各橋墩堆土高度基本一致,但從病害表現(xiàn)規(guī)律及最終試算確定的土壓力值可以看出,作用在各橋墩土壓力并不相同,且作用方向不同,任意中間墩承受不均勻土壓力時(shí),均會將荷載通過上部結(jié)構(gòu)傳遞到其余橋墩,而且多數(shù)橋墩處的土壓力均小于實(shí)際堆土高度,這恰恰說明整個(gè)堆土過程并非按照一個(gè)方向有序進(jìn)行,而且堆土過程存在碾壓。因此,橋下堆土是造成本橋第13聯(lián)、14聯(lián)橋梁病害的重要原因。
結(jié)合現(xiàn)場橋梁實(shí)際狀況及理論分析結(jié)果可以看出,橋下堆土是造成該橋出現(xiàn)主梁橫向偏位及墩柱垂直度發(fā)生變化的主要原因。土體本身處于塑性狀態(tài)下,當(dāng)橋下堆土過高或土體側(cè)滑達(dá)到一定程度時(shí),勢必將對橋梁下部結(jié)構(gòu)造成樁基、墩柱橫向承載力不足,變位、開裂。下部結(jié)構(gòu)變位聯(lián)動上部結(jié)構(gòu)和橋面系發(fā)生變位和損傷,情況嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致橋梁垮塌,需引起橋梁管養(yǎng)單位的重視。
因此,建議對橋下堆土采取選擇性清方,盡可能使結(jié)構(gòu)回位,且受力與設(shè)計(jì)目標(biāo)吻合。
[1]楊 敏,朱碧堂.堆載下土體側(cè)移及對鄰樁作用的有限元分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2003(6):78-79.
[2]楊 敏,朱碧堂.堆載地基與鄰近樁基的相互作用分析[J].水文地質(zhì)工程,2002(3):77-79.
[3]宋 寧.土體側(cè)移引起橋梁結(jié)構(gòu)損傷的加固對策[J].公路,2012(5):111-112.