u型橋臺病害分析與加固效應(yīng)評估

u型橋臺病害分析與加固效應(yīng)評估

由于結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、成本低，u型橋臺在橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用。某些特殊的地形還造就了很多高、寬、大的重力式橋臺。在運(yùn)營過程中,由于活載、結(jié)構(gòu)恒載以及土壓力等因素的耦合作用,U型橋臺常會出現(xiàn)一些病害。而作為橋梁結(jié)構(gòu)中的主要承重部件之一,橋臺病害將直接影響到橋梁的承載能力,危及橋梁安全。大量的現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),U型橋臺的病害發(fā)生部位和類型表現(xiàn)出一定的共性。因此,對其病害進(jìn)行調(diào)查歸納,深入分析病害機(jī)理,并提出加固治理對策是十分必要的。1橋臺病害歸納通過對河南省安陽市、洛陽市和三門峽地區(qū)60余座U型橋臺(上部主要為空心板、T梁和小箱梁)橋梁實地調(diào)查,發(fā)現(xiàn)U型橋臺的病害主要?dú)w納如下(圖1)。1.1橋臺的抗彎剛度U型橋臺的臺身是主要承重部位,在橋臺寬度不大時,臺身一般不會出現(xiàn)裂縫。但是對于橋臺寬度較大的整體式U型橋臺,沒有設(shè)置變形縫時臺身容易開裂,并且寬度大的橋臺承受的恒載相對增加,其前墻的線性抗彎剛度減小,此時前墻對地基不均勻沉降非常敏感,一旦橋臺基礎(chǔ)局部地基承載力不足,出現(xiàn)不均勻沉降,橋臺前墻即容易出現(xiàn)沉降縫而豎向開裂。1.2大量雨水加入臺后,側(cè)墻外傾開裂因臺后填土施工不規(guī)范以及橋梁運(yùn)營時的超載作用,橋面鋪裝層開裂、滲水,大量的雨水滲入臺內(nèi),使得臺后填土內(nèi)摩擦角減小、飽和容重增大,臺后土壓力大幅度增加,使側(cè)墻外傾開裂。其次橋臺基礎(chǔ)局部地基承載力不足,基礎(chǔ)不均勻沉降,導(dǎo)致橋臺內(nèi)部應(yīng)力重分布,應(yīng)力和變形增大,造成橋臺側(cè)墻開裂。1.3土壓力下的開裂橋臺前墻和側(cè)墻角隅處受到的土壓力合力較大,角隅處拉應(yīng)力較大。當(dāng)橋臺前墻和側(cè)墻尺寸較小,而又沒有設(shè)置角隅鋼筋時,角隅處將在過大土壓力作用下應(yīng)力超限而開裂。這種現(xiàn)象在斜橋橋臺中更為突出,因為斜橋橋臺前墻與側(cè)墻的夾角為鈍角時,在墻背土壓力的作用下,前墻與側(cè)墻連接的轉(zhuǎn)角處容易被撕裂而發(fā)生裂縫,夾角的角度越大,被撕裂的可能性也越大。并且,隨著橋臺高度的增加,臺后填土壓力將呈指數(shù)倍增長,隨著橋臺寬度的增加,橋臺線性抗彎剛度減小。1.4保證臺后填土虛實臺背回填土須按規(guī)定分層壓實施工,單層層厚在20~30cm之間為佳,并且石料最大粒徑須小于層厚的2/3,以此才能保證臺后填土密實。但現(xiàn)狀是施工單位通常對臺后填土施工的重視程度不高,有時為了趕工期,往往導(dǎo)致橋臺臺后填土的施工質(zhì)量不佳,填土壓實度不達(dá)標(biāo),甚至直接將大塊石料填入臺內(nèi),使得橋臺在通車后由于臺內(nèi)填料的沉降而出現(xiàn)橋臺開裂及路面凹陷等病害。2橋臺疾病影響因素分析2.1u型橋臺身的模擬橋臺臺后填土可近似為一種非線性彈性體材料,采用solid45八節(jié)點(diǎn)單元對其進(jìn)行模擬,其它參數(shù)分別為:壓縮模量為48MPa,泊松比為0.3,內(nèi)摩擦角為30°,粘聚力為30kPa,密度為1900kg/m3,剪脹角為29°。U型橋臺臺身也是一種非線性材料,但是其剛度比臺后填土的大得多,將臺身材料也視為線彈性材料,選用solid65八節(jié)點(diǎn)實體單元對其進(jìn)行模擬,參數(shù)取值如下:壓縮模量取值為4.8GPa,泊松比取值為0.167,密度取值為2500kg/m3。采取3D面-面接觸來模擬臺身和臺后填土之間的相互作用,目標(biāo)面為TARGET170單元,接觸面為CONTA173單元。基于ANSYS建立橋臺有限元模型如圖2,以寬25m,高20m的橋臺為例,整個橋臺臺身和橋臺臺后填土模型共有221940個單元和242622個節(jié)點(diǎn)。2.2橋臺主拉應(yīng)力分析為研究橋臺高度對受力的影響特點(diǎn),選取兩組U型橋臺進(jìn)行模擬分析,第一組橋臺寬度B為20m,第二組橋臺寬度B為25m,兩組橋臺的高度均從10m漸變到20m,級差1m。部分主拉應(yīng)力云圖如圖3。從第一主拉應(yīng)力云圖可以得出,橋臺的最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在橋臺側(cè)墻和前墻的交角處。分別提取各橋臺的最大第一主拉應(yīng)力值,變化如圖4所示。分析圖4可以得到,寬度不變時,橋臺的最大第一主拉應(yīng)力值隨高度的增大而增大。但是不同寬度下最大主拉應(yīng)力的增量幾乎不隨橋臺高度而變化。也即橋臺寬度分別為25m和20m的應(yīng)力差值在不同高度下變化不大。2.3橋臺主拉應(yīng)力分布隨著橋臺寬度的加大,側(cè)墻對前墻的約束效用減小,前墻承受的土壓力急劇變大從而可能導(dǎo)致開裂。為了研究橋臺寬度對受力的影響,選取兩組U型橋臺進(jìn)行分析,第一組橋臺高度H為15m,第二組橋臺高度H為20m,兩組橋臺的寬度均從16m漸變到30m,級差2m。從第一主拉應(yīng)力云圖可以得出,橋臺的最大主拉應(yīng)力仍然出現(xiàn)在橋臺側(cè)墻和前墻的交角處。分別提取各個橋臺的最大第一主拉應(yīng)力值,如圖5所示。由圖5可知,當(dāng)橋臺高度不變時,橋臺最大第一主拉應(yīng)力值隨寬度的增大而增大,土壓力的大小與橋臺寬度成正比。不同高度下主拉應(yīng)力隨橋臺寬度的變化增量幾乎相同。從高度為15m和20m的兩組橋臺算例中,分別提取出寬度為16、20、24、28m時所有橋臺前墻和側(cè)墻交角處,高度從0m漸變到15m(或20m)時的主拉應(yīng)力值繪制曲線如圖6所示。由圖6可以得出:(1)橋臺高度不變時,隨著橋臺寬度的變大,最大第一主拉應(yīng)力值變大;(2)各個寬度下橋臺第一主拉應(yīng)力在頂端和底端較小,最大第一主拉應(yīng)力值約在2H/3處,因為橋臺頂端受到的土壓力較小,底端雖然承受的土壓力變大,但是由于橋臺側(cè)墻和前墻的坡度,底端截面面積增大,因此應(yīng)力反而較小,從而最大第一主拉應(yīng)力出現(xiàn)在橋臺中部。2.4橋臺含水率分析當(dāng)排水設(shè)施設(shè)置不完善,或者由于橋臺對應(yīng)位置路面破損,雨水等滲入造成橋臺內(nèi)腔積水,臺后填土在雨水的浸潤下吸水膨脹,導(dǎo)致填土容重、內(nèi)摩擦角以及粘聚力等性質(zhì)的改變,從而使土壓力增大。為研究填土含水率對受力的影響,分別選取填土含水率為16%、20%、24%、28%、32%和36%的一組橋臺進(jìn)行模擬分析,假設(shè)臺后填土均為砂性土。提取含水率變化時,各個橋臺模型的最大第一主拉應(yīng)力值繪制曲線變化圖如圖7所示。由圖7可知,隨著填土含水率的增加,橋臺最大第一主拉應(yīng)力值也相應(yīng)增加。因為隨著含水率的增加,填土內(nèi)摩擦角減小、飽和容重增大,使土壓力增大,從而橋臺最大第一主拉應(yīng)力值增大。提取填土含水率ω為16%、24%和32%時所有橋臺前墻和側(cè)墻交角處,高度從0m漸變到15m時的第一主拉應(yīng)力如圖8所示。由圖8可以得出:(1)U型橋臺的最大第一主拉應(yīng)力值隨填土含水率的增加而增加,高度相同時,橋臺的第一主拉應(yīng)力值也隨填土含水率的增大而增大;(2)橋臺第一主拉應(yīng)力值仍然是在頂端和底端相對較小,最大主拉應(yīng)力仍然位于2H/3處。3u橋臺加固由于U型橋臺數(shù)量多,在加固實踐的基礎(chǔ)上,基于橋臺病害原因和病害影響因素分析,有針對性地提出如下加固措施。3.1增設(shè)錨桿的影響橋臺臺后填土下沉引起臺后路面下沉凹陷,車輛經(jīng)過橋臺會產(chǎn)生跳車現(xiàn)象,使得橋臺承受較大的汽車沖擊力和土壓力,導(dǎo)致前墻外傾開裂,因此可采用在前墻中布置一排或數(shù)排錨桿進(jìn)行加固,使橋臺形成整體受力(如圖9)。錨桿數(shù)量并不是越多對受力越有利,當(dāng)橋臺高度不大時,過多地增加錨桿數(shù)量并不能相應(yīng)地提高錨桿對前墻的約束作用。按照布置一~四排錨桿,每排布置十根錨桿加固橋臺,根據(jù)ANSYS計算得到橋臺加固前后的應(yīng)力和位移值列表如表1所示。由表1可知,橋臺布置錨桿時,最大第一主拉應(yīng)力相比于不設(shè)置錨桿時明顯降低,且隨著錨桿數(shù)量的增加,最大第一主拉應(yīng)力值降低的幅度也增大,最高達(dá)到25%左右。此外,前墻增設(shè)錨桿可以有效地限制橋臺順橋向的位移,但是對于減小控制橋臺整體變形的橋臺橫橋向位移則收效甚微,原因是最大順橋向位移出現(xiàn)在橋臺前墻,錨桿可以有效地限制前墻在土壓力作用下的位移。前墻設(shè)置四排錨桿時,橋臺最大順橋向位移降低將近60%,最大橫橋向位移反而有微小增加,其主要原因是錨桿對前墻作用一個水平拉力,將這個水平拉力平移到側(cè)墻上時,側(cè)墻將受到一個沿其長度方向的水平力和一個力矩,在這個力矩的作用下,側(cè)墻位移反而增加。3.2側(cè)墻加固橋臺應(yīng)力和位移臺后填土壓力過大時,橋臺側(cè)墻外傾開裂,此時可在兩側(cè)墻之間張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線,提高側(cè)墻抵抗土壓力和抗傾覆能力(圖10)。采用本方法加固橋臺時,首先將臺后填土挖出,對橋臺進(jìn)行卸載,然后對側(cè)墻的裂縫進(jìn)行修補(bǔ),將鋼絞線布置在合適的位置,張拉并錨固之后,再回填臺后填土。當(dāng)然其施工也可以不挖臺內(nèi)填土,而采用鉆孔張拉錨桿。為避免張拉鋼絞線時側(cè)墻局部受力過大而混凝土被壓碎,一般將鋼絞線錨固在側(cè)墻外側(cè)澆筑的混凝土墊梁上以減輕應(yīng)力集中現(xiàn)象。按照布置一~三排鋼絞線,每排對拉八根加固橋臺,根據(jù)ANSYS計算得到橋臺原型和加固后各個橋臺應(yīng)力和位移值列表如表2所示。由表2可知,在應(yīng)力方面,橋臺對拉鋼絞線加固時,最大第一主拉應(yīng)力相比于不設(shè)置鋼絞線時有顯著降低,并且隨著鋼絞線數(shù)量的增加,最大第一主拉應(yīng)力減小的幅度也變大,當(dāng)在側(cè)墻布置三排鋼絞線時,其最大第一主拉應(yīng)力值減小率達(dá)到20%左右。在位移方面,側(cè)墻對拉鋼絞線加固時,側(cè)墻位移減小十分明顯,因為橋臺最大橫橋向位移出現(xiàn)在側(cè)墻端部,在鋼絞線的作用下,可以有效地限制側(cè)墻在土壓力作用下的位移,當(dāng)對拉三排鋼絞線時,最大橫橋向位移降低將近36%。但是對于最大順橋向位移,采用對拉鋼絞線加固時反而有一定的增加,因為鋼絞線對側(cè)墻的作用力相當(dāng)于一對水平拉力,如果將這對水平拉力平移到前墻上,前墻將受到一對沿其寬度方向的水平力和一對力矩,水平力由于大小相等方向相反,其作用可以相互抵消,但是在力矩的作用下,前墻的受力形式相當(dāng)于兩端固定梁上作用一對力矩,因此橋臺前墻的位移將會增加,順橋向位移也相應(yīng)地增加。因此采用對拉鋼絞線加固橋臺時,應(yīng)注意鋼絞線的布置數(shù)量,以免給橋臺造成過大的順橋向位移,或者在加固橋臺時,將側(cè)墻對拉鋼絞線加固方法和前墻布置錨桿加固方法等配合使用,以達(dá)到更好的效果。3.3混凝土圈梁加固橋臺的anas計算此種加固方法通過在橋臺側(cè)墻和前墻外側(cè)澆筑一圈鋼筋混凝土梁,澆筑的混凝土圈梁增加了重力式橋臺的約束,橋臺土體變形減小,因此可以減小橋臺的應(yīng)力和位移(如圖11)。該加固方法主要使用于已經(jīng)出現(xiàn)病害的橋臺,其作用是增加橋臺的抵抗力。澆筑鋼筋混凝土圈梁的施工方法是先將臺后填土挖空,對橋臺進(jìn)行卸載,對開裂的部位進(jìn)行修復(fù)之后在側(cè)墻和前墻外側(cè)澆筑一圈鋼筋混凝土梁。采用澆筑混凝土圈梁加固橋臺時,混凝土圈梁與橋臺之間的連接是通過在前墻和側(cè)墻鉆孔布置梅花型牽釘,然后將混凝土圈梁內(nèi)的鋼筋網(wǎng)綁扎懸掛于牽釘上,并綁扎牢固,然后再支立模板、澆筑圈梁混凝土,待混凝土強(qiáng)度達(dá)到一定程度后,回填臺后填土,可以選擇輕質(zhì)材料回填,從另一方面減小土壓力。采用布置一道或兩道截面尺寸為50cm×50cm的混凝土圈梁加固橋臺,ANSYS計算得到橋臺原型和各個加固橋臺應(yīng)力和位移值列表如表3所示。由表3可知,在應(yīng)力方面,澆筑混凝土圈梁加固橋臺時,橋臺最大第一主拉應(yīng)力值較不澆筑混凝土圈梁時要明顯減小,并且,當(dāng)增加混凝土圈梁數(shù)量時,最大第一主拉應(yīng)力值減小幅度也變大,當(dāng)在橋臺前墻和側(cè)墻外側(cè)布置兩道混凝土圈梁時,橋臺最大第一主拉應(yīng)力值降低約22%左右。在位移方面,澆筑混凝土圈梁加固橋臺時,橋臺側(cè)墻和前墻位移均顯著減小,因為鋼筋混凝土圈梁對橋臺起到一個包裹作用,有效限制了橋臺前墻和側(cè)墻的變位,從而使橋臺在土壓力作用下,其最大順橋向位移和最大橫橋向位移都顯著地減小。從表中還可以看出,澆筑鋼筋混凝土圈梁加固對限制橋臺最大橫橋向位移更加有效,當(dāng)在前墻和側(cè)墻外側(cè)澆筑兩道鋼筋混凝土圈梁時,橋臺最大順橋向位移降低25%左右,而橋臺最大橫橋向位移降低率則達(dá)到將近40%。鋼筋混凝土圈梁加固橋臺之所以能有效地減小位移,是因為橋臺最大橫橋向位移出現(xiàn)在側(cè)墻,而橋臺的最大順橋向位移則出現(xiàn)在前墻,鋼筋混凝土圈梁對側(cè)墻和前墻的作用相當(dāng)于在側(cè)墻和前墻上作用一個垂直于側(cè)墻或者前墻的水平推力,且此水平推力與臺背填土引起的作用于側(cè)墻和前墻上面的土壓力方向相反,從而此推力可以抵消部分土壓力的效應(yīng),從而達(dá)到降低橋臺最大順橋向位移值和橋臺最大橫橋向位移值的效果。3.4橋臺型橋臺應(yīng)力和位移值的計算該方法通過在橋臺側(cè)墻和前墻交匯處設(shè)置一定長度的倒角實施。由有限元分析結(jié)果可知,U型橋臺的最大主拉應(yīng)力值出現(xiàn)在橋臺側(cè)墻和前墻交角處,原因是側(cè)墻和前墻交角處承受兩個方向的水平土壓力合力,導(dǎo)致應(yīng)力集中,因而可以在橋臺側(cè)墻和前墻的交角處設(shè)置一定長度的倒角,使交角由90°變?yōu)殁g角,有效減小應(yīng)力集中,降低橋臺側(cè)墻和前墻交角處的最大主拉應(yīng)力值。在工程實踐中,為了減小U型橋臺的最大主拉應(yīng)力值,可在側(cè)墻和前墻交角處設(shè)置倒角。本文擬采用設(shè)置寬度分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m的倒角加固橋臺,計算得到橋臺原型和各個加固橋臺應(yīng)力和位移值列表如表4所示。從表4可以看出,在應(yīng)力方面,不論設(shè)置多寬的倒角,其最大第一主拉應(yīng)力值相比于不設(shè)置倒角時,都有一定程度的降低,并且隨著倒角寬度的增加,最大第一主拉應(yīng)力值降低的比率也會隨之增加,最大可以達(dá)到20%左右。在位移方面,橋臺的最大順橋向位移和橋臺的最大橫橋向位移相比于不設(shè)置倒角時都有一定程度的降低。并且,無論橋臺最大順橋向位移還是橋臺最大橫橋向位移,其位移的降低比率都會隨著倒角寬度的增加而增加。從表中可以看出,設(shè)置倒角寬度相同時,橋臺最大順橋向位移值降低的比率永遠(yuǎn)大于橋臺最大橫橋向位移值降低的比率,并且隨著橋臺設(shè)置倒角寬度的增加,這種差別會越來越大,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因,主要是橋臺順橋向位移出現(xiàn)在橋臺前墻中部,而設(shè)置倒角就好像對橋臺前墻設(shè)置一對橫撐,能有效地增