趙利國(guó)

(承德交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，河北 承德　067000)

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整體式斷面拓寬橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降影響分析與控制

趙利國(guó)

(承德交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，河北 承德067000)

在采用整體式斷面拓寬法進(jìn)行橋梁拓寬工程中，基礎(chǔ)不均勻沉降過大是引起新舊橋梁的主梁拼接部位開裂的主要原因之一。以某高速公路橋梁拓寬工程中兩座互通式立交橋拓寬為依托，采用橋梁通用分析軟件Midas Civil建立有限元分析模型，對(duì)新舊橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降值取為5 mm時(shí)空心板梁橋和簡(jiǎn)支T梁橋的主梁和接縫的受力及位移、拼接部位的開裂進(jìn)行了分析和驗(yàn)算，結(jié)果表明：在橋梁拓寬設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)局部部位和拼接部位應(yīng)加強(qiáng)配筋，以避免裂縫的產(chǎn)生。為了減小基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)拼接部位的影響，對(duì)空心板梁橋采用了樁底后壓漿技術(shù)對(duì)地基進(jìn)行了加固處理，并對(duì)兩橋基礎(chǔ)沉降情況進(jìn)行了12個(gè)月的連續(xù)觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果表明：采用樁底后壓漿技術(shù)進(jìn)行地基加固處理的空心板梁橋的新舊橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降值小于未采用該技術(shù)處理的簡(jiǎn)支T梁橋，說明該技術(shù)可有效改善新舊橋梁基礎(chǔ)的不均勻沉降。

；橋梁拓寬；拼接部位；不均勻沉降；地基加固

0　引言

某高速公路于1992年建成通車，為滿足交通量的增長(zhǎng)需求，于2012年8月～2014年3月進(jìn)行拓寬改造，由原有的單向2車道拓寬為單向3車道。在橋梁拓寬之前，經(jīng)過20 a的運(yùn)營(yíng)，該高速公路上橋梁的絕大部分基礎(chǔ)沉降已完成。但在橋梁拓寬后，在橋梁恒載和車輛等活載作用下，相對(duì)于基礎(chǔ)沉降已基本完成的舊橋而言，新建橋梁會(huì)產(chǎn)生較大的基礎(chǔ)沉降，這就使得新舊橋梁基礎(chǔ)存在不均勻沉降。當(dāng)新舊橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致新舊橋梁主梁拼接部位開裂，對(duì)橋梁安全、適用和耐久造成不利影響。

本文以該高速公路上兩座互通式立交橋(一座空心板梁橋和一座簡(jiǎn)支T梁橋)拓寬為依托，通過利用橋梁通用分析軟件Midas Civil建模，對(duì)空心板梁橋和簡(jiǎn)支T梁橋的主梁和接縫的受力及位移、拼接部位的強(qiáng)度進(jìn)行了分析和驗(yàn)算，并通過沉降觀測(cè)對(duì)比驗(yàn)證了可通過地基加固來減少橋梁拓寬后基礎(chǔ)不均勻沉降的方法，從而防止新舊橋梁主梁拼接部位因受力過大而開裂。

1　工程概況

在橋梁拓寬工程中，普遍采用新舊橋梁上部結(jié)構(gòu)主梁橫向拼接，下部結(jié)構(gòu)墩柱基礎(chǔ)分離的整體式斷面拓寬法進(jìn)行橋梁拓寬[1]。本文中兩橋均采用整體式斷面法進(jìn)行拓寬，左右兩幅各拓寬4.5 m。在新舊橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降控制方面，對(duì)空心板梁橋采用樁底后壓漿法進(jìn)行地基加固，而對(duì)簡(jiǎn)支T梁橋未采用該方法進(jìn)行處理。在橋梁拓寬完工12個(gè)月，對(duì)空心板梁橋和簡(jiǎn)支T梁橋的基礎(chǔ)沉降值進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，記錄觀測(cè)結(jié)果。

空心板梁橋和預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁橋的跨徑均為20.0 m，均采用雙幅布置，單幅橋面寬分別為13.0 m和12.5 m，梁高分別為0.9 m和1.3 m，其中簡(jiǎn)支T梁橋主梁由5片T梁組成。主梁均采用后張法工藝施工。下部結(jié)構(gòu)形式均為等截面雙柱式墩，墩柱直徑1.2 m。基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，單排布置，樁徑均為1.5 m，樁長(zhǎng)分別為38 m和43 m。

2　基礎(chǔ)不均勻沉降影響分析

為了避免上部結(jié)構(gòu)和拼接部位產(chǎn)生裂縫，必須采取措施使得不均勻沉降值處于合理可控范圍之內(nèi)。本文參考國(guó)內(nèi)同類型橋梁歷史觀測(cè)資料[2]，偏安全地選取新舊橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降為5 mm，對(duì)拓寬橋梁的上部結(jié)構(gòu)受力情況和拼接部位抗裂性能進(jìn)行分析和驗(yàn)算。

2.1有限元模型

采用橋梁通用軟件Midas civil建立空間有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析。為偏于安全，在建模過程中忽略鉸縫混凝土、防撞護(hù)欄等對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)，僅作為恒荷載作用計(jì)入；同時(shí)，將支座的彈性剛度視為無限大?；炷梁皖A(yù)應(yīng)力筋的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)、混凝土收縮徐變效應(yīng)、溫度效應(yīng)等均參考規(guī)范確定[3，4]。

2.2空心板梁橋計(jì)算結(jié)果分析

該空心板梁橋主梁編號(hào)如圖1所示。

圖1　空心板橋主梁編號(hào)(Jb：舊板，Xb：新板)

2.2.1對(duì)主梁受力影響分析

空心板梁橋主梁受力情況如圖2所示。

圖2　空心板梁橋主梁彎矩(單位；kN·m)

從圖2可以看出，由新橋基礎(chǔ)沉降較舊橋基礎(chǔ)沉降大使得新舊橋梁基礎(chǔ)沉降不均勻，導(dǎo)致舊橋主梁中產(chǎn)生正彎矩，新橋主梁中產(chǎn)生負(fù)彎矩。對(duì)于舊板而言，靠近拼接處的舊板產(chǎn)生的正彎矩越大，遠(yuǎn)離拼接處的舊板產(chǎn)生的正彎矩越小(靠近新板的舊板Jb1中正彎矩較大，靠近新板的舊板Jb2、Jb3中正彎矩較小，遠(yuǎn)離新板的舊板Jb4～Jb9中正彎矩可忽略)；對(duì)于新板而言，靠近舊板的新板Xb1在1/8跨處產(chǎn)生最大的負(fù)彎矩，此負(fù)彎矩使得新板支點(diǎn)附近上緣出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需配置足夠的負(fù)彎矩鋼筋以防止新板支點(diǎn)附近上緣開裂。

2.2.2對(duì)主梁位移影響分析

空心板梁橋的主梁位移計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3　空心板梁橋主梁位移(單位；mm)

從圖3可以看出，由新橋基礎(chǔ)沉降較舊橋基礎(chǔ)沉降大使得新舊橋梁基礎(chǔ)沉降不均勻，其中新板平均豎向位移值大于舊板。對(duì)于舊板而言，由于支點(diǎn)處的豎向支撐剛度大，跨中豎向支撐剛度小，使得舊板在支點(diǎn)處豎向位移最小，跨中處豎向位移最大，這與新板的位移情況正好相反。

2.2.3對(duì)接縫橫向彎矩影響分析

空心板梁橋接縫橫向彎矩計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4　空心板梁橋接縫橫向彎矩(單位；kN·m)

從圖4可以看出，在新舊橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降作用下，支點(diǎn)附近的接縫出現(xiàn)的橫向彎矩最大，其中接縫舊板側(cè)為負(fù)彎矩，接縫新板側(cè)為正彎矩，這會(huì)使得橫梁靠近舊板處上緣和橫梁靠近新板處下緣出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需配置足夠的抗彎鋼筋，以防止裂縫的產(chǎn)生。

2.3簡(jiǎn)支T梁橋計(jì)算結(jié)果分析

該簡(jiǎn)支T梁橋主梁編號(hào)如圖5所示。

圖5　簡(jiǎn)支T梁橋主梁編號(hào)(Lb：舊T梁，Xb：　新T梁，Lq：舊橫梁，Xq：新橫梁)

2.3.1對(duì)主梁受力影響分析

簡(jiǎn)支T梁橋主梁受力情況如圖6所示。

圖6　簡(jiǎn)支T梁橋主梁彎矩(單位；kN·m)

從圖6可以看出，在新舊橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降作用下，簡(jiǎn)支T梁橋的主梁彎矩有著與空心板梁橋類似的分布規(guī)律。不同之處在于由于T梁的橫向剛度較空心板梁橋更大，這使得簡(jiǎn)支T梁橋的主梁彎矩在縱向分布更加均勻。

2.3.2對(duì)主梁位移影響分析

簡(jiǎn)支T梁橋的主梁位移計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7　簡(jiǎn)支T梁橋主梁位移(單位；mm)

從圖7可以看出，在新舊橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降作用下，簡(jiǎn)支T梁橋的主梁位移有著與空心板梁橋類似的分布規(guī)律。新T梁板平均豎向位移值大于舊板。對(duì)于舊T梁而言，由于支點(diǎn)處的豎向支撐剛度大，跨中豎向支撐剛度小，使得舊T梁在支點(diǎn)處豎向位移最小，跨中處豎向位移最大，且越靠近新T梁的豎向位移越大。

2.3.3對(duì)橫隔板彎矩影響分析

簡(jiǎn)支T梁橫隔板彎矩計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8　簡(jiǎn)支T梁橋橫隔板彎矩(單位；kN·m)

從圖8可以看出，與跨中橫隔板相比，端橫隔板彎矩值最大，這是由于端橫隔板支座的豎向支撐剛度較大的緣故。因此，應(yīng)對(duì)端橫隔板加強(qiáng)配筋，防止其開裂。

2.4新舊橋梁拼接部位開裂驗(yàn)算

在改建拓寬的橋梁結(jié)構(gòu)中，拼接部位往往因?yàn)榻孛娉叽缧?，受力情況復(fù)雜而成為整個(gè)結(jié)構(gòu)中的最易開裂部位[5]。拼接部位一旦開裂，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生非常不利的影響。因此有必要對(duì)拼接部位進(jìn)行開裂驗(yàn)算。

利用Midas civil計(jì)算得空心板梁橋拼接部位荷載組合下跨中處彎矩最大，為88.5 kN·m；根據(jù)拼接部位的截面尺寸和配筋情況，計(jì)算得空心板梁橋拼接部位最大抵抗矩為95.8 kN·m(>88.5 kN·m)，可認(rèn)為空心板梁橋拼接部位抗裂性能滿足要求。同理對(duì)簡(jiǎn)支T梁橋跨中橫隔板進(jìn)行抗裂驗(yàn)算，利用Midas civil計(jì)算得簡(jiǎn)支T梁橋跨中橫隔板部位荷載組合下彎矩最大為236.5 kN·m；根據(jù)橫隔板的截面尺寸和配筋情況，計(jì)算得簡(jiǎn)支T梁橋橫隔板最大抵抗矩為629.8 kN·m(>236.5 kN·m)，可認(rèn)為簡(jiǎn)支T梁橋跨中橫隔板抗裂性能滿足要求。

3　樁基礎(chǔ)不均勻沉降控制

在橋梁拓寬工程中，新舊橋梁樁基礎(chǔ)不均勻沉降過大會(huì)在結(jié)構(gòu)的拼接部位產(chǎn)生很大的內(nèi)力，進(jìn)而引起拼裝部位的開裂，因此有必要對(duì)拓寬橋梁樁基礎(chǔ)不均勻沉降進(jìn)行控制。樁基礎(chǔ)不均勻沉降控制是一個(gè)復(fù)雜的問題，應(yīng)從地質(zhì)勘測(cè)、樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、樁基礎(chǔ)施工、地基加固等多個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，才能達(dá)到良好的控制效果[6]。

在地基加固方面，控制樁基礎(chǔ)不均勻沉降主要有3種方法：地基預(yù)壓加固、地基補(bǔ)樁加固和樁底或樁側(cè)后壓漿地基加固[7，8]。本文中的空心板梁橋采用了樁底后壓漿地基加固技術(shù)，對(duì)樁基礎(chǔ)的不均勻沉降進(jìn)行控制。

3.1施工工藝

樁底后壓漿施工工藝流程如圖9所示。

圖9　施工工藝流程

在樁底壓漿施工方案制定過程中，對(duì)樁的承載力和注漿量等參數(shù)的選取和計(jì)算，應(yīng)當(dāng)根據(jù)橋位所在區(qū)域地質(zhì)合理選用，切忌生搬硬套。壓漿管的設(shè)計(jì)以及壓水開塞時(shí)機(jī)決定壓漿的成敗，應(yīng)在試壓試驗(yàn)的基礎(chǔ)上反復(fù)優(yōu)化。其中，壓漿管的布置既要保證壓漿的均勻，又要使壓漿管便于安裝和保護(hù)，以防止因壓漿管損壞漏漿而造成壓漿失敗。漿液的配合比應(yīng)根據(jù)地基加固的范圍、所處地層空隙的大小和對(duì)漿液流動(dòng)性的要求綜合確定，漿液材質(zhì)的好壞直接決定壓漿的效果。壓漿過程中應(yīng)有專人負(fù)責(zé)記錄，達(dá)到樁底終止壓漿標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)立刻停止壓漿。

3.2沉降觀測(cè)

結(jié)合工程實(shí)際和現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)采用樁底后壓漿技術(shù)進(jìn)行地基加固處理的空心板梁橋和未進(jìn)行地基加固處理的簡(jiǎn)支T梁橋進(jìn)行沉降觀測(cè)，在空心板梁橋和簡(jiǎn)支T梁橋的新舊橋梁橋墩墩身距地面1.0 m處各設(shè)置1個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，如圖10所示。連續(xù)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的沉降值進(jìn)行測(cè)量。觀測(cè)時(shí)間共12個(gè)月，前3個(gè)月基礎(chǔ)沉降較為迅速，應(yīng)每天觀測(cè)1次，后9個(gè)月基礎(chǔ)沉降較為緩慢，可根據(jù)測(cè)試結(jié)果適當(dāng)增大觀測(cè)周期，但不應(yīng)少于1周。準(zhǔn)確記錄沉降觀測(cè)值，并進(jìn)行以對(duì)比分析。

圖10　沉降測(cè)點(diǎn)布置

觀測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 新舊橋梁基礎(chǔ)最大不均勻沉降值mm空心板梁橋簡(jiǎn)支T梁橋左幅右幅平均左幅右幅平均0.750.820.761.241.551.40

從表1可以看出，未采用樁底后壓漿進(jìn)行地基加固的簡(jiǎn)支T梁橋平均最大不均勻沉降值較采用該技術(shù)加固處理的空心板梁橋超出84.2%，由此可見采用該技術(shù)能有效減小新舊橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降。

4　結(jié)論

1) 由Midas civil建模仿真分析結(jié)果表明，新舊橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)空心板梁橋和簡(jiǎn)支T梁橋的上部結(jié)構(gòu)主梁受力與位移、接縫部位受力均有類似的影響；其中空心板梁橋的構(gòu)件局部位置會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，故應(yīng)采取相關(guān)措施，防止結(jié)構(gòu)開裂。

2) 沉降觀測(cè)結(jié)果表明，未采用樁底后壓漿進(jìn)行地基加固的簡(jiǎn)支T梁橋平均最大不均勻沉降值較采用該技術(shù)加固處理的空心板梁橋超出84.2%，由此可見采用該技術(shù)能有效減小新舊橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降。

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2016-01-22

趙利國(guó)(1979-)，男，工程師，主要從事橋梁及隧道工程設(shè)計(jì)。

；1008-844X(2016)03-0150-04

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