夏宏宇, 張正琦, 程 高, 徐小茹

(1.甘肅省公路建設(shè)管理集團(tuán)有限公司, 甘肅 蘭州 730000； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064)

0 引言

據(jù)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，中小跨徑橋梁數(shù)量所占比例達(dá)88.77%，橋梁長(zhǎng)度所占比例達(dá)45.79%，建設(shè)規(guī)模最大[1]。裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或者預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁?jiǎn)瘟河捎诰哂凶灾匦?、宜于工廠(chǎng)化預(yù)制、運(yùn)輸安裝裝備成熟等優(yōu)勢(shì)，在中小跨徑橋梁占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[2]。受技術(shù)難度、經(jīng)濟(jì)成本、建設(shè)規(guī)模等因素控制，即使在山區(qū)溝壑地形，其上部結(jié)構(gòu)仍大量采用中小跨徑梁橋，這勢(shì)必出現(xiàn)較多的高墩柱[3]。對(duì)于中小跨徑梁式橋，墩高較大且墩柱數(shù)量較多時(shí)，受施工技術(shù)水平、施工裝備能力、自然環(huán)境惡劣等影響，施工過(guò)程中墩柱偏位現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[4]。若偏位超限，墩柱維修加固或改造施工難度大、經(jīng)濟(jì)代價(jià)高、社會(huì)影響惡劣[5]。開(kāi)展初始偏位梁式橋墩柱受力性能研究，有助于揭示缺陷墩柱工作狀況，制定經(jīng)濟(jì)合理的墩柱維修改造方案。

按照受力機(jī)理橋梁墩柱偏位可分為使用階段引起的附加偏位及施工過(guò)程引起的初始偏位，二者對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的影響存在本質(zhì)區(qū)別。對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋或連續(xù)梁橋，墩柱偏位對(duì)上下部結(jié)構(gòu)影響機(jī)理也不同。張?zhí)烀鱗6]報(bào)道了重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋引橋受隧道棄渣影響南引橋某橋墩偏位超限，柱底范圍出現(xiàn)大量裂紋，相關(guān)單位發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，采取清除棄渣，鑿除開(kāi)裂混凝土并補(bǔ)強(qiáng)。李乾坤[3]針對(duì)橋墩局部偏位超限的某連續(xù)剛構(gòu)橋靜力特性、動(dòng)力特性及穩(wěn)定特性展開(kāi)研究，指出與橋墩無(wú)缺陷的橋梁靜力性能相比，墩柱內(nèi)力及上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力無(wú)明顯變化。若增大截面，結(jié)構(gòu)自振稍增大，但橋墩及主梁控制截面處的內(nèi)力基本無(wú)變化；若增加系梁，僅對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)有所幫助。陳偉明[7]等針對(duì)有初始缺陷的薄壁高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工階段穩(wěn)定性展開(kāi)研究，得出初始缺陷對(duì)高墩穩(wěn)定性有所降低，縱橋向的初始幾何缺陷較橫橋向?qū)Ψ€(wěn)定承載力影響大。張剛[8]對(duì)某鐵路橋橋墩偏位原因及糾偏措施展開(kāi)研究，指出橋墩附近地鐵開(kāi)挖施工是引起偏位的主要原因，采取了定向噴射注漿樁、設(shè)置應(yīng)力釋放孔和變形槽等措施進(jìn)行墩柱加固和糾偏整治。曾勇[9]開(kāi)展了某連續(xù)梁橋橋墩糾偏的頂推受力分析研究，指出在墩柱結(jié)構(gòu)安全允許時(shí)，可將豎向頂升千斤頂放置在橋墩頂部以頂升主梁，在主梁底部安裝縱向和橫向復(fù)位千斤頂進(jìn)行墩柱糾偏?？梢?jiàn)，現(xiàn)有研究尚未有針對(duì)施工階段初始偏位墩柱梁式橋受力機(jī)理的研究報(bào)道。為此，本文擬圍繞墩柱初始偏位，歸納墩柱偏位出現(xiàn)類(lèi)型及內(nèi)力分布特征，建立全橋桿系結(jié)構(gòu)與墩柱實(shí)體結(jié)構(gòu)有限元模型，分析墩柱偏位超限對(duì)主梁、墩柱的內(nèi)力、變形及穩(wěn)定性的影響，從而把握偏位墩柱的受力特性，以便于有針對(duì)性地制定墩柱加固維修方案，對(duì)減少工程投資具有重要的參考價(jià)值。

1 初始偏位墩柱分類(lèi)與內(nèi)力解析

連續(xù)梁橋墩柱主要受到豎向支反力、水平支反力以及墩柱的自重作用。其中豎向支反力主要由主梁自重、二期恒載及汽車(chē)活載引起；水平支反力包括順橋向水平支反力和橫橋向水平支反力，其中順橋向水平支反力主要由汽車(chē)剎車(chē)力產(chǎn)生，橫橋向水平支反力主要由風(fēng)荷載引起。墩柱的底部邊界條件可等效為墩底固支邊界、墩頂為自由邊界，豎向支反力、水平支反力可等效為集中荷載，墩柱的自重可等效為沿墩柱高度方向的均布荷載。由此得到，墩柱的受力模式如圖1所示。圖1中P為豎向支反力，F(xiàn)為水平支反力，q為自重荷載，Δ為墩柱墩頂偏位值。

圖1 墩柱的計(jì)算圖式

基礎(chǔ)開(kāi)挖、堆土、積水、施工誤差等不利因素影響均可能導(dǎo)致橋墩偏位。墩柱的偏位具有方向性，可分解為順橋向偏位和橫橋向偏位2個(gè)方向。因此，空間偏位的墩柱內(nèi)力分析可轉(zhuǎn)化為平面問(wèn)題。橋墩墩柱可能偏位的幾種典型情況如圖2所示。圖2(a)為墩柱整體發(fā)生偏位，圖2(b)～圖2(e)為墩柱局部偏位情況，圖2適用于順橋向偏位和橫橋向偏位的情形。

圖2 墩位可能出現(xiàn)的偏位

為便于分析偏位對(duì)墩柱內(nèi)力的影響，按照疊加原理，可先求解豎向支反力、水平支反力以及墩柱的自重單獨(dú)作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律，后進(jìn)行內(nèi)力疊加。豎向支反力與墩柱自重均為豎向力，二者作用下墩柱的內(nèi)力分布規(guī)律差異較小，可合并計(jì)算分析。

圖3給出了豎向支反力和墩柱自重共同作用下墩柱的內(nèi)力分布情況。由圖3可知，墩柱偏位后將產(chǎn)生附加彎矩和附加剪力，使墩柱的受力狀態(tài)發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變，由純受壓作用轉(zhuǎn)變?yōu)閴簭澕艄餐饔?。由圖3(a)可知，墩柱出現(xiàn)偏位后，偏位處墩柱產(chǎn)生附加彎矩，整體偏位、局部偏位I及局部偏位II即墩頂發(fā)生偏位時(shí)最大彎矩出現(xiàn)在墩底，局部偏位III墩柱及局部偏位Ⅳ時(shí)即僅墩身發(fā)生偏位，而墩頂不發(fā)生偏位，最大彎矩出現(xiàn)偏位方向突變處。由圖3(b)可知，墩柱出現(xiàn)偏位后，偏位處墩柱產(chǎn)生附加剪力，非偏位區(qū)域剪力為零。由圖3(c)可知，墩柱出現(xiàn)偏位前后軸力分布規(guī)律一致。

圖3 豎向力作用下墩柱內(nèi)力分布

圖4給出了水平支反力單獨(dú)作用下墩柱的內(nèi)力分布情況。由圖4可知，墩位偏位后將產(chǎn)生附加軸力，使墩柱的受力狀態(tài)由彎剪作用轉(zhuǎn)變?yōu)閴簭澕艄餐饔谩Ｓ蓤D4(a)可知，墩柱出現(xiàn)偏位后，僅改變墩柱彎矩量值，不改變最大彎矩出現(xiàn)位置。由圖4(b)可知，墩柱出現(xiàn)偏位后，剪力圖分布規(guī)律發(fā)生改變，由均勻分布變?yōu)槌示€(xiàn)性變化趨勢(shì)。由圖4(c)可知，墩柱出現(xiàn)偏位后，偏位區(qū)域墩柱產(chǎn)生附加軸力，非偏位區(qū)域軸力零。

圖4 水平力作用下墩柱內(nèi)力分布

結(jié)合圖3和圖4進(jìn)行內(nèi)力疊加后，可得到豎向支反力、水平支反力及墩柱的自重共同作用下直墩、偏位墩的彎矩、剪力及軸力分布規(guī)律，如圖5所示。由圖5可知，墩位偏位后將產(chǎn)生附加的彎矩、剪力和軸力，放大墩柱的壓彎剪作用，改變墩位的受力狀態(tài)，甚至使最大彎矩出現(xiàn)位置發(fā)生改變。

圖5 墩柱的內(nèi)力圖

2 工程案例分析

2.1 工程概況

某大橋全長(zhǎng)112m，跨徑組合為3×35m，上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土連續(xù)箱梁，結(jié)構(gòu)體系為先簡(jiǎn)支后連續(xù)，下部采用柱式墩臺(tái)，墩高35m，橋臺(tái)及橋墩均采用樁基礎(chǔ)，橋梁總體布置如圖6所示。

圖6 總體布置圖

表1給出了該橋墩柱豎直度專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果。由表1可知，該橋2-1#墩柱的墩身豎直度超過(guò)了《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊(cè) 土建工程》 (JTG F80/1-2017)第 8.6.1 條(5m60m，豎直度≤H/3 000，且≤30mm，H為墩身高度)的要求[11]，屬于缺陷墩。

表1 墩柱豎直度檢測(cè)結(jié)果Table 1 Verticality test results of piers墩柱編號(hào)測(cè)試位置距墩底高度/m偏位值/mm傾斜率/%裂縫情況下截面-中截面16.74164.60.39未見(jiàn)2-1#墩柱中截面-上截面14.87961.50.41未見(jiàn)下截面-上截面31.620126.10.40未見(jiàn)

墩柱因施工引起初始偏位，需建立直墩和缺陷墩模型，以分析墩柱偏位對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力性能的影響。先建立全橋桿系有限元模型，進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)下和承載能力極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)計(jì)算，得到墩柱的支反力，以此為荷載條件施加墩柱實(shí)體有限元模型，得到墩柱的應(yīng)力及位移，從而評(píng)價(jià)墩柱的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。

2.2 全橋結(jié)構(gòu)分析

2.2.1結(jié)構(gòu)建模

利用Midas Civil 2015建立全橋模型，全橋構(gòu)件均采用一般梁?jiǎn)卧ⅲＰ椭幸詷蚨瞻l(fā)生偏位后的狀態(tài)為其初始狀態(tài)建立模型，結(jié)構(gòu)采用裝配式預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土連續(xù)箱梁，不考慮材料材齡、水化熱等的影響。并建立直墩模型，通過(guò)與缺陷墩模型的縱橋向彎矩、剪力、軸力以及全橋基頻等參數(shù)對(duì)比來(lái)分析橋墩偏位對(duì)全橋力學(xué)性能的影響，全橋模型如圖7所示。模型中考慮的荷載有：結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、汽車(chē)荷載、地震荷載、整體升降溫、溫度梯度和支座沉降等；荷載組合方法為承載力極限狀態(tài)下作用組合即1.1×(1.2×恒載+1.0×支座變位+1.4×活載)和正常使用極限狀態(tài)下作用組合即1.2×恒載+0.7×活載(不含汽車(chē)沖擊力)。

圖7 全橋模型示意圖

2.2.2結(jié)果分析

根據(jù)桿系結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果，形成缺陷墩后，橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、屈曲模態(tài)幾乎沒(méi)有變化。提取了正常使用狀態(tài)下和承載能力極限狀態(tài)下主梁及墩柱的內(nèi)力及變形結(jié)果，以及地震力作用下墩柱的內(nèi)力及變形情況。由于篇幅有限，在此，僅給出內(nèi)力及位移的最大值進(jìn)行比較，分別如圖8、圖9所示。由圖8可知，形成缺陷墩后，墩底最大彎矩略有增大，而對(duì)主梁的內(nèi)力及變形幾乎沒(méi)有影響；正常使用極限狀態(tài)下墩柱的最大彎矩增加了7%，承載能力極限狀態(tài)下幾乎無(wú)變化。地震力作用下，墩柱的最大彎矩、剪力、軸力和位移值均有所減小，這是由于相對(duì)于直柱，柱傾斜后軸向剛度對(duì)側(cè)向剛度的貢獻(xiàn)會(huì)明顯增加。圖8及圖9中，彎矩單位為kN·m，軸力及剪力單位為kN，位移單位為mm。

圖8 整體計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖9 地震力作用下墩柱整體計(jì)算結(jié)果

2.3 雙柱式橋墩結(jié)構(gòu)分析

2.3.1結(jié)構(gòu)建模

墩柱有限元模型采用有限元軟件Abaqus，混凝土采用實(shí)體單元，鋼筋采用三維桁架單元，采用embedded命令嵌入混凝土實(shí)體單元中。網(wǎng)絡(luò)劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)。墩底采用固結(jié)邊界條件，根據(jù)整體分析計(jì)算結(jié)果，施加支反力。模型中不考慮支座的剪切剛度作用，有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖10所示。

2.3.2結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)體有限元計(jì)算結(jié)果，得到直墩及缺陷墩柱的最大應(yīng)力及最大水平位移，如圖11所示。由圖11可知，形成缺陷墩后，正常使用極限狀態(tài)下墩柱鋼筋最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力增加不明顯；墩頂最大水平位移增加了12.6%；混凝土主拉應(yīng)力幾乎不變。承載能力極限狀態(tài)下墩柱鋼筋最大壓應(yīng)力增加了17.8%，但低于鋼筋的應(yīng)力容許限值，最大拉應(yīng)力增加2%；混凝土主拉應(yīng)力幾乎不變。圖11中應(yīng)力的單位為MPa，位移的單位為mm。

(a)鋼筋模型

圖11 墩柱應(yīng)力及位移

3 研究結(jié)論

論文先歸納了墩柱偏位類(lèi)型，并分析墩柱內(nèi)力及變形分布規(guī)律，接著以具有初始缺陷墩柱的梁式橋?yàn)槔M(jìn)行了結(jié)構(gòu)整體分析及實(shí)體有限元分析，得到了墩柱初始缺陷對(duì)橋梁自振特性、模型，主梁的內(nèi)力及變形，墩柱的應(yīng)用及位移等影響規(guī)律。具體結(jié)論如下：

a. 墩位偏位后將產(chǎn)生附加的彎矩、剪力和軸力，放大墩柱的壓彎剪作用，改變墩位的受力狀態(tài)，甚至使最大彎矩出現(xiàn)位置發(fā)生改變。

b.形成缺陷墩后，橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、屈曲模態(tài)、主梁的內(nèi)力及變形幾乎沒(méi)有變化。形成缺陷墩后，墩底最大彎矩略有增大。地震力作用下，墩柱的最大彎矩、剪力、軸力和位移值沒(méi)有增大反而有所減小。

c.形成缺陷墩后，正常使用極限狀態(tài)下墩柱鋼筋最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力增加不明顯，混凝土主拉應(yīng)力幾乎不變，墩頂最大水平位移增加了12.6%。承載能力極限狀態(tài)下墩柱鋼筋最大壓應(yīng)力增加了17.8%，但低于鋼筋的應(yīng)力容許限值，最大拉應(yīng)力增加2%，混凝土主拉應(yīng)力幾乎不變。