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        某公路U 型橋臺病害原因分析及加固設(shè)計(jì)

        2014-06-06 13:36:44
        山西建筑 2014年16期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        劉 文 海

        (1.太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,山西太原 030024;2.太原市城市建設(shè)管理中心,山西太原 030009)

        1 工程概況

        某公路橋上部采用7孔30 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板,下部為單排三柱式?jīng)_孔灌注樁,橋臺為M7.5砂漿砌片(塊)石U型重力式橋臺。該橋橋面寬度22.5 m,四車道設(shè)計(jì),橋面橫向布置為:2×1.75 m(人行道)+2 ×2.5 m(非機(jī)動車道)+4 ×3.5 m(機(jī)動車道)。該橋原設(shè)計(jì)荷載等級為汽—超20、掛—120。

        2 病害現(xiàn)狀及原因分析

        2.1 病害現(xiàn)狀

        該橋目前的病害主要有:橋臺側(cè)墻鑲面石普遍開裂;橋臺前墻鑲面石局部開裂,如圖1所示。該橋臺存在的開裂問題比較突出,裂縫發(fā)展不斷加速,若不及時(shí)進(jìn)行整治處理,橋臺前墻有可能突然滑塌危及橋梁安全,引發(fā)安全事故。

        圖1 橋臺開裂圖

        2.2 病害原因

        根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙,小里程側(cè)橋臺置于弱風(fēng)化基巖上,大里程側(cè)橋臺置于砂礫石層中?,F(xiàn)場踏勘結(jié)果表明:橋臺基礎(chǔ)比較穩(wěn)定,無沉降等現(xiàn)象;小里程側(cè)橋臺開裂較大里程側(cè)橋臺嚴(yán)重,其裂縫走向也不符合基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生的裂縫特點(diǎn)。因此,初步排除橋臺基礎(chǔ)沉降這一原因。

        經(jīng)分析,橋臺開裂原因可能如下:

        1)根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算,橋臺前墻所受的應(yīng)力較小,不足以使其開裂。因此,橋臺的施工質(zhì)量(包括臺身砌筑、臺后填料以及臺身材料)可能存在一些問題,導(dǎo)致了橋臺開裂。

        2)臺后填料可能采用了一些不透水性材料,加之臺身未設(shè)置泄水孔,致使雨水等一些外界水源滲入臺后填料中而無法排出,最終產(chǎn)生較大水平推力,導(dǎo)致了橋臺開裂。

        3)汽車荷載(包括汽車沖擊力、制動力等)長期、反復(fù)地作用可能導(dǎo)致橋臺開裂。

        4)本橋搭板傾角比較大,有一定的剛度,也有可能使得汽車荷載通過搭板傳遞了較大的水平力到臺帽上,致使橋臺開裂(如圖1所示)。

        3 橋臺受力狀態(tài)分析

        3.1 計(jì)算模型

        為了選擇有效的加固措施,采用大型通用有限元軟件ANSYS建立橋臺三維有限元模型(見圖2),進(jìn)行橋臺受力狀態(tài)分析。采用Solid45單元模擬臺帽和前墻主體,共劃分73 900個(gè)單元。鑒于橋臺前墻和側(cè)墻連接處已經(jīng)開裂,計(jì)算模型中僅建立前墻的數(shù)值模型,考慮前墻在最不利荷載下的力學(xué)狀態(tài)。圖2中,x方向?yàn)轫槝蛳?,z方向?yàn)闄M橋向,y方向?yàn)橹亓Ψ捶较颉?/p>

        3.2 荷載選取

        在臺背土壓力范圍內(nèi)加載土壓力。由于側(cè)墻開裂,故在前墻墻背后全斷面加載水壓力,在前墻前側(cè)加載靜土壓力。橋臺側(cè)汽車荷載制動力和豎向壓力靠橋臺搭板傳遞至橋臺臺帽構(gòu)造細(xì)節(jié)處。橋跨結(jié)構(gòu)傳遞荷載通過支座傳遞至橋臺臺帽,模型中將此荷載加載至橋臺臺帽處。

        圖2 橋臺三維計(jì)算模型

        汽車荷載換算高度按照文獻(xiàn)[1]中4.3.4條處理,取0.51 m。臺后主動土壓力按照文獻(xiàn)[1]中4.2.3條處理,取752.4 kN。臺前靜土壓力按照文獻(xiàn)[1]中4.2.3條處理,取217.9 kN。橋臺搭板傳遞制動力按照文獻(xiàn)[1]中4.3.5條處理,取442.2 kN。橋臺后靜水壓力隨高度線性變化,按照靜水壓力公式依高度變化加載在有限元模型中。

        臺帽采用C25混凝土,軸心抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1.78 MPa。小石子混凝土砌片石采用MU50+C15,軸心抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為0.26 MPa[2]。

        3.3 計(jì)算結(jié)果

        荷載組合工況:臺后水壓力+臺后主動土壓力+臺前靜土壓力+搭板沖擊荷載+橋跨結(jié)構(gòu)傳遞荷載。經(jīng)計(jì)算,x方向最大位移為2.673 mm,y方向最大位移為0.172 mm,最大主拉應(yīng)力為0.784 MPa。

        圖3給出了橋臺第一主應(yīng)力云圖。

        圖3 橋臺第一主應(yīng)力云圖(單位:Pa)

        計(jì)算結(jié)果表明:橋臺在x和y方向變形較小,并未對橋臺結(jié)構(gòu)構(gòu)成威脅;最大主應(yīng)力出現(xiàn)在橋臺底部,這是由于橋臺底部固結(jié)約束導(dǎo)致部分應(yīng)力失真。值得注意的是,在臺帽和橋臺主體結(jié)構(gòu)連接處,存在局部應(yīng)力偏大的現(xiàn)象,這是由于此處材料剛度不連續(xù)導(dǎo)致應(yīng)力突變。此處的主拉應(yīng)力值在0.11 MPa~0.22 MPa之間變化,小石子混凝土砌片石的抗拉強(qiáng)度為0.26 MPa,強(qiáng)度滿足要求。

        4 加固設(shè)計(jì)及效果

        根據(jù)橋臺病害現(xiàn)狀,并結(jié)合橋梁受力狀態(tài),采取的加固措施包括:橋臺填料換填、注漿以及橋臺前墻加固;改造路面搭板[3-5]。技術(shù)要點(diǎn)如下:

        1)在對橋臺進(jìn)行加固之前,首先必須對已有裂縫仔細(xì)檢查后進(jìn)行治理,治理方法為灌注M10微膨脹水泥漿。

        2)橋臺填料換填。

        依次拆除原橋臺鋪裝、混凝土路面后,再開挖路基填料以及臺后填料,開挖深度3.5 m。在開挖形成的槽口內(nèi),分層澆筑C20片(卵)石混凝土,每層厚度不超過100 cm。

        3)橋臺填料注漿。

        在原橋臺填料開挖后,對未開挖的橋臺填料進(jìn)行注漿處理,注漿材料為水+普硅水泥+粉煤灰(或細(xì)砂)。

        4)橋臺前墻加固。

        對原橋臺前墻細(xì)料石鑲面進(jìn)行充分鑿毛,要求應(yīng)鑿除鑲面石風(fēng)化層,露出新鮮巖面,并沖洗干凈,以確保新澆C30混凝土與橋臺前墻的緊密結(jié)合。

        在原橋臺前墻上鉆孔植入φ25鋼筋,以加強(qiáng)新澆C30混凝土與橋臺前墻的連接。在新澆C30混凝土內(nèi)布設(shè)兩層15 cm×15 cm間距的鋼筋網(wǎng),表層鋼筋網(wǎng)采用φ20鋼筋,底層鋼筋網(wǎng)采用φ16鋼筋。

        目前,橋臺已完成加固施工,該橋已開放運(yùn)營。經(jīng)現(xiàn)場觀察,橋臺運(yùn)營現(xiàn)狀良好,未出現(xiàn)新裂縫。

        5 結(jié)語

        1)設(shè)計(jì)荷載作用下,該橋臺順橋向和橫橋向的最大位移分別為2.673 mm和0.172 mm,強(qiáng)度滿足要求,橋臺受力狀態(tài)良好。橋臺開裂原因主要是橋臺施工質(zhì)量(包括臺身砌筑、臺后填料以及臺身材料)引起。

        2)通過橋臺填料換填、注漿以及橋臺前墻加固,并改造路面搭板,達(dá)到了加固目標(biāo),加固效果明顯。

        [1]JTJ 021-89,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

        [2]JTJ 023-85,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [3]李茂盛.重力式U型橋臺典型病害及加固方法研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2011.

        [4]高國付.薄壁橋臺的受力分析及處理方案[J].山西建筑,2013,39(7):168-169.

        [5]GB 50367-2006,混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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