基于有限元分析的某跨閩江公路互通立交橋梁樁基加固設(shè)計(jì)

基于有限元分析的某跨閩江公路互通立交橋梁樁基加固設(shè)計(jì)

由于橋梁設(shè)計(jì)、施工或使用的原因、自然和人為等因素的影響，橋梁基礎(chǔ)建設(shè)或施工后多年會(huì)出現(xiàn)不同程度的損壞和缺陷。為了避免拆除重建,減少投資,充分發(fā)揮現(xiàn)有公路基本設(shè)施的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,對(duì)病害橋梁進(jìn)行改造或者加固就顯得尤為必要?，F(xiàn)階段,根據(jù)不同情況對(duì)基礎(chǔ)采取的加固辦法有:擴(kuò)大基礎(chǔ)、壓注灰漿或硅化土層、加深基礎(chǔ)、旋噴樁以及基礎(chǔ)托換加固等。其中基礎(chǔ)托換技術(shù)在許多城市的擴(kuò)建和改造過程中,特別是修建地鐵工程中,大量采用托換技術(shù),積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)。過去公路橋梁主要是采用抬樁加固的方法,抬樁加固中如有采用對(duì)新樁基進(jìn)行預(yù)壓就是基礎(chǔ)托換技術(shù),如未進(jìn)行新樁基預(yù)壓,抬樁加固就是屬于新舊樁基一個(gè)漸變置換的方法。抬樁加固一般采用橫向加樁或者縱向抬樁,但是對(duì)橫向加樁和縱向抬樁的適用情況、如何設(shè)置抬樁樁基,目前較少研究。本文以公路上某匝道橋?yàn)槔?利用有限元程序,研究了采用橫向抬樁、縱向抬樁的受力特性,并為經(jīng)后橋梁樁基加固設(shè)計(jì)提供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。1互通立交橋橋橋樁基檢測方案某橫跨閩江公路橋梁建于2001年。橋梁引橋和互通主線橋均為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁,預(yù)應(yīng)力混凝土準(zhǔn)連續(xù)T梁的跨徑以25m為主,主橋?yàn)殡p幅,橋梁引橋單幅橋?qū)挒?2.25m,互通主線橋單幅橋?qū)挒樽儗?5.75~23m?；ネ⒔粯騼勺训罉蚓捎矛F(xiàn)澆箱梁,橋?qū)挒?2m,跨徑采用以20m為主。下部構(gòu)造均采用柱式墩,肋板臺(tái),鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。由于上游水電站建成后,導(dǎo)致上游來沙量銳減,且近年非法采沙、抽沙等情況更加嚴(yán)重,再者原有游蕩性河道被壓縮等原因?qū)е麓髽蚝哟矘?biāo)高明顯下降。經(jīng)過有關(guān)單位外觀檢測調(diào)查及樁基混凝土強(qiáng)度檢測后,發(fā)現(xiàn)大橋位于河道中的橋墩樁基外露并受到?jīng)_刷等破壞,其中匝道橋原有樁徑采用Φ1.40m和Φ1.50m的樁、互通主線橋及主橋引橋采用Φ1.50、Φ1.80m的樁基。原有鉆孔灌注摩擦樁基礎(chǔ)穿過較厚的中細(xì)砂和中粗砂層而將樁底置于較厚的卵石夾土層,見(圖1)。大橋地震設(shè)防烈度按Ⅶ度設(shè)防。2樁身受水流沖刷前后出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p害對(duì)橋梁進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn),橋梁樁基沖刷狀況嚴(yán)重見(圖2、圖3)。主要存在的以下病害:(1)由于河床受水流沖刷嚴(yán)重,樁身嚴(yán)重裸露在河床之上,裸露的高度最高達(dá)到了14m左右;(2)裸露在河床上的樁身,由于受水流沖刷作用,樁身基本上出現(xiàn)了砂石裸露現(xiàn)象;(3)某些樁基的樁身混凝土出現(xiàn)了破損掉塊現(xiàn)象;(4)樁身由于受水流沖刷作用,造成了許多樁身鋼筋裸露在大氣中或者水中,而且發(fā)生了嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象;(5)樁身受水流沖刷作用,樁身某些部位出現(xiàn)了沖刷掏空現(xiàn)象,掏空的洞深最深達(dá)到了25cm左右;(6)樁身受水流沖刷作用,出現(xiàn)了凹凸不平現(xiàn)象;(7)由于受水流沖刷作用,有些樁基出現(xiàn)了縮徑現(xiàn)象,現(xiàn)場實(shí)測的樁身周長比原設(shè)計(jì)周長最多小了0.28m;3基于基礎(chǔ)磨損后樁的單鏈負(fù)荷和墩柱強(qiáng)度的計(jì)算3.1對(duì)樁側(cè)摩摩阻力的分析原橋柱式橋墩采用摩擦樁基礎(chǔ),取現(xiàn)有沖刷的地面線(現(xiàn)有地面線最深標(biāo)高已超過原設(shè)計(jì)最大沖刷標(biāo)高),根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD63-2007)計(jì)算相應(yīng)的橋梁樁長。計(jì)算中通過對(duì)原設(shè)計(jì)地勘資料及規(guī)范中對(duì)卵石夾土樁側(cè)摩阻力的分析,樁底卵石夾土的樁側(cè)摩阻取值分別采用按地質(zhì)報(bào)告提供的數(shù)值120kPa(工況一)和按規(guī)范提供的參考值數(shù)值140kPa。(工況二)分別計(jì)算出相應(yīng)的樁長,其余計(jì)算參數(shù)均參考地質(zhì)報(bào)告,計(jì)算結(jié)果見下(表1):由此上述表格可知,按目前的樁基埋置深度,最不利的墩樁基單樁軸向受壓承載力容許值已不滿足。根據(jù)分析計(jì)算,該橋基礎(chǔ)承載能力明顯下降,應(yīng)對(duì)該橋進(jìn)行相應(yīng)的基礎(chǔ)加固。3.2匝道橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度墩柱計(jì)算的水平力包括土壓力、溫度力、制動(dòng)力和地震力,水平力的計(jì)算以聯(lián)為單元進(jìn)行。升溫、降溫和制動(dòng)力按縱向剛度理論進(jìn)行計(jì)算,橋墩地震力按地震反應(yīng)譜進(jìn)行計(jì)算。橋墩強(qiáng)度計(jì)算最關(guān)鍵的一個(gè)因素是計(jì)算長度的取值,中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)大師袁倫一在文獻(xiàn)6中對(duì)各國規(guī)范計(jì)算長度的取值進(jìn)行了論述,上述加固方案墩柱的計(jì)算長度,經(jīng)過與國外規(guī)范(見表2)以及福建省交通規(guī)劃院設(shè)計(jì)指導(dǎo)書的對(duì)比,滑動(dòng)支座按2倍的實(shí)際長度考慮,橡膠支座按1.3倍的實(shí)際長度考慮,固定支座按0.7倍的實(shí)際長度考慮。匝道橋的支座布置情況為在14號(hào)、15號(hào)、21號(hào)、22號(hào)采用四氟橡膠滑板支座,18號(hào)墩圓曲線內(nèi)側(cè)設(shè)置固定球型支座,剩下的其余橋墩支座均為單向滑動(dòng)的球型支座。經(jīng)計(jì)算,主線橋經(jīng)計(jì)算墩柱配筋、樁基所需的配筋為0.5%,主線橋D140柱的實(shí)際配筋率為0.96%,D150cm和D180cm樁基實(shí)際配筋率分別為0.836%和0.581%,強(qiáng)度滿足要求。匝道橋固定支座和連續(xù)滑動(dòng)D140cm的墩柱強(qiáng)度和D150cm的樁基強(qiáng)度已不滿足規(guī)范要求,其他墩柱接近設(shè)計(jì)值,匝道橋原有墩柱和樁基的配筋率分別為0.96%和0.836%。根據(jù)分析計(jì)算,匝道橋箱梁結(jié)構(gòu)的墩柱強(qiáng)度已經(jīng)接近或者超過設(shè)計(jì)限制,應(yīng)對(duì)相應(yīng)的橋墩進(jìn)行加固。通過以上分析得出:橋梁的支座布置對(duì)下部結(jié)構(gòu)影響較大,有時(shí)為減小橋梁伸縮縫對(duì)行車的影響,設(shè)置較長的聯(lián)長,故在臨近交接墩的橋墩設(shè)置連續(xù)滑板支座,但是注意加強(qiáng)相應(yīng)的橋墩。4基礎(chǔ)加固方案的研究4.1案例總結(jié)通過上文對(duì)匝道橋計(jì)算分析,橋梁樁基礎(chǔ)沖刷出露嚴(yán)重,加固維修擬采用抬樁加固提供其基礎(chǔ)承載力和橋墩縱向剛度。4.1.1橋樁的新建接枝新樁位于原樁橫橋向兩側(cè),兩側(cè)各加一根樁,增設(shè)承臺(tái)連接原橋樁間系梁、樁基與新設(shè)樁基,承臺(tái)為一字型。上部荷載通過承臺(tái)傳遞至新加樁基,如(圖4)所示。4.1.2社會(huì)主義抗洪樹不同結(jié)構(gòu)的樁基加固方案新樁位于原樁順橋向兩側(cè),每根舊樁縱向兩側(cè)各加一根樁,每個(gè)普通墩增加四根新樁,承臺(tái)為工字型,用承臺(tái)將每根原有樁基與兩根新樁及原樁,上部荷載通過承臺(tái)傳遞至新加樁基,如(圖5)所示。由于加固項(xiàng)目橋梁主線橋梁均為準(zhǔn)連續(xù)T梁,匝道橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu),根據(jù)梁式橋梁受力特點(diǎn),在原有樁基礎(chǔ)沖刷后樁基外露,基礎(chǔ)剛度削弱,剛度減弱后對(duì)橋梁墩柱強(qiáng)度、樁基承臺(tái)力、高樁承臺(tái)的樁基強(qiáng)度造成不利影響。如果采用橫向抬樁,能夠?qū)痘A(chǔ)進(jìn)行加強(qiáng),解決樁基承載能力的問題,但是對(duì)受水平力較大的橋墩不能解決橋墩縱橋向剛度、橋墩和樁基的穩(wěn)定問題,而且采用橫向抬樁由于傳力的不直接,承臺(tái)高度計(jì)算值較大,所需樁徑較縱向抬樁大。如果采用縱向抬樁,通過采用四根樁加強(qiáng)原樁承載能力,能夠解決橋梁基礎(chǔ)承載能力問題,也能加強(qiáng)承受水平力較大橋墩的縱向剛度,能較好的解決橋墩和樁基的穩(wěn)定問題,新增的承臺(tái)厚度和樁徑都較橫向抬樁小,但是此方案存在阻水,應(yīng)進(jìn)行加固后的行洪論證。最后可以結(jié)合橫向和縱向抬樁,對(duì)橋墩剛度小、承受水平力大、橋墩計(jì)算長度較大的橋墩采取縱向抬樁,對(duì)橋墩剛度富裕、承受水平力小、橋墩計(jì)算長度也小的橋墩采取橫向抬樁,這樣可以綜合兩種方式的優(yōu)點(diǎn),但是施工繁瑣、樁基種類多。通過以上論述可結(jié)合大橋的實(shí)際情況,合理選用縱向抬樁加固的方法。4.1.3確定要模型1.3和2mm的墩頂位移以匝道橋一聯(lián)(2×20+4×22+2×20m)現(xiàn)澆箱梁為例,以現(xiàn)有結(jié)構(gòu)采用四種不同的下部基礎(chǔ)情況建立模型,模型一按現(xiàn)有下部基礎(chǔ)和現(xiàn)有河床地面線建立,模型二按橫向抬樁和沖刷總深度20m建立,模型三按縱向抬樁和沖刷總深度20m建立,模型四按橫向抬樁和縱向抬樁相結(jié)合,沖刷總深度為20m建立。根據(jù)上述四種模型得到工況結(jié)果分別見表3(模型一)和表4(模型二)、表5(模型三)、表6(模型四)中。其中地震影響力是偶然荷載,與活載不組合。地震力的計(jì)算按抗震規(guī)范進(jìn)行,橋墩采用地震反應(yīng)譜進(jìn)行計(jì)算,大橋地震設(shè)防烈度按Ⅶ度設(shè)防。從(表3)計(jì)算結(jié)果可看出:目前的營運(yùn)的情況下,18號(hào)固定支座橋墩承受較大的制動(dòng)力和地震力,墩頂位移和樁頂位移均較大。原橋涵基礎(chǔ)規(guī)范規(guī)定墩頂位移對(duì)于等跨簡支梁剛性基礎(chǔ)不應(yīng)超過0.5,式中L為此墩相鄰最小跨徑,單位為m,小于25m按25m取值,求得的單位為厘米,如果按此條進(jìn)行設(shè)計(jì),一般認(rèn)為是偏于保守的,按上述公式計(jì)算出18號(hào)的墩頂位移限值為23.5mm。在新橋涵基礎(chǔ)規(guī)范中此條文已經(jīng)刪除。對(duì)于樁頂位移,基礎(chǔ)規(guī)范規(guī)定的也較少,一般認(rèn)為,如果計(jì)算出的樁頂位移大于6mm,那么需要對(duì)m(地基的比例系數(shù))值進(jìn)行折減,經(jīng)過折減后計(jì)算出的樁頂位移不應(yīng)大于10mm,因?yàn)榇笥?0mm后,土體與樁基礎(chǔ)的作用進(jìn)入非線性狀態(tài),m法的計(jì)算誤差將會(huì)比較大。模型一經(jīng)過m值折減后樁頂位移除了18號(hào)墩樁頂位移達(dá)到了19.6mm,已經(jīng)超過了10mm,其他橋墩均在6mm~10mm之間。模型一的樁基配筋率接近或者超過設(shè)計(jì)配筋率。從(表4)的計(jì)算結(jié)果可以看出:采用橫向抬樁,總沖刷深度為20米的情況下,橋墩的水平力有所增加,但是所有橋墩的墩頂位移均較模型一減少了約27%。樁頂最大位移除了18號(hào)橋墩,其余四個(gè)橋墩的均未超過6mm。經(jīng)過橫向抬樁后的18號(hào)橋墩的樁頂位移雖然較模型一減小了約29%,但橫向抬樁的樁頂位移達(dá)到14mm,仍然大于10mm。18號(hào)墩的樁基配筋率高達(dá)1.9%。從(表5)的計(jì)算結(jié)果可以看出:采用縱向抬樁,總沖刷深度為20米的情況下,橋墩的水平力有進(jìn)一步增加,但所有橋墩的墩頂位移分別較模型一和模型二減少了約74%和約62%。樁頂最大位移所有橋墩的均未超過6mm。經(jīng)過縱向抬樁后的最大的18號(hào)樁頂位移分別較模型一和模型二減少約77%和69%。采用縱向抬樁經(jīng)沖刷后,橋墩基礎(chǔ)與土地仍未進(jìn)入非線性狀態(tài)。樁基配筋率約為0.5%。從(表6)的計(jì)算結(jié)果可以看出:采用縱向抬樁和橫向抬樁相結(jié)合的方案,對(duì)橋墩受力較不利的邊墩和固定墩采用縱向抬樁,其他橋墩采用橫向抬樁,總沖刷深度為20m的情況下,采用橫向抬樁的16、20號(hào)橋墩墩頂位移較模型一增加約27%,17、19號(hào)橋墩墩頂位移較模型一增加37%。18號(hào)橋墩的墩頂位移均較模型一減少了約74%。所有橋墩樁頂最大位移均未超過6mm。樁基配筋率范圍較大,配筋為0.5%~0.8%。采用縱向抬樁和橫向抬樁相互組合的方案,雖然橫向抬樁能減少一部分工作量,但是采用橫向抬樁的樁徑至少采用D180cm,而與縱向抬樁一般采用D140cm和D150cm的樁基相比,橫向抬樁會(huì)造成施工設(shè)備的增加,并且采用縱橫向抬樁相結(jié)合,樁基配筋范圍較大,導(dǎo)致樁基的種類的繁多。通過墩頂位移可以看出,由于采用橫向抬樁的縱向剛度較小,相應(yīng)的墩頂位移會(huì)偏大。5關(guān)于要提高橋墩樁基強(qiáng)度的觀點(diǎn)通過對(duì)上述匝道橋的加固分析,希望對(duì)類似沖刷橋梁基礎(chǔ)的維修加固設(shè)計(jì)有所幫助和借鑒意義?？偨Y(jié)上述分析,在今后設(shè)計(jì)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)橋梁的支座布置對(duì)下部結(jié)構(gòu)影響較大,有時(shí)為減小橋梁伸縮縫對(duì)行車的影響,設(shè)置較長的聯(lián)長,故在臨近交接墩的橋墩設(shè)置連續(xù)滑板支座,但是相應(yīng)的橋墩應(yīng)加強(qiáng),防止橋墩強(qiáng)度由于自然及人