周星宇

（上海同豐工程咨詢有限公司，上海 200444）

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷提升，公路橋梁得到較快發(fā)展。截至2020 年底，全國已建成各類公路橋梁約91.28 萬座，橋梁總里程更是達(dá)到6.6 萬km。其中，滬蘇通長江公路大橋、港珠澳大橋等各類復(fù)雜橋梁的順利建設(shè)，表明我國公路橋梁事業(yè)在橋梁規(guī)模、橋梁設(shè)計方法及橋梁施工控制技術(shù)等方面均取得了長足的進(jìn)步。目前，我國既有公路橋梁存在老舊橋梁多、危橋規(guī)模大、荷載標(biāo)準(zhǔn)低的特點，大量橋梁將面臨加固改造的問題。同時，橋梁周邊環(huán)境發(fā)生變化，也將不可避免地對橋梁運營安全產(chǎn)生巨大的影響，其中，橋位附近堆載對橋梁造成的次生病害，是近年來研究發(fā)現(xiàn)的危及橋梁安全的突出原因。若橋梁處于軟弱地基環(huán)境，鄰近環(huán)境堆載不僅會使橋梁下部結(jié)構(gòu)發(fā)生異常變位，進(jìn)而造成上部結(jié)構(gòu)次內(nèi)力的產(chǎn)生，嚴(yán)重者可能發(fā)生落梁事故，對橋梁的安全運營構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]。

關(guān)于堆載對橋梁的影響，國內(nèi)外已有部分研究，WENZ 等人研究了堆載對橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響，通過現(xiàn)場試驗得出了堆載會使下部結(jié)構(gòu)周邊土體地基發(fā)生流動并使樁基產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變位的結(jié)論[2-3]。梁育瑋等人通過有限元分析，得到了堆載高度和距離對橋梁的影響[4]。研究以山西省陽泉市學(xué)院路橋為例，通過對該橋進(jìn)行專項檢測，詳細(xì)分析闡述橋位附近堆載對橋梁安全運營的影響。

1 工程概況及背景

陽泉市學(xué)院路橋位于陽泉市學(xué)院路，為一座偏南北走向的8 跨簡支預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T 梁橋，該橋為正交橋梁。橋梁總長240m，跨徑組合為8×30m。該橋上部結(jié)構(gòu)每跨均由5 片預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T 梁組成，下部結(jié)構(gòu)采用肋板式橋臺，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)；橋墩采用柱式橋墩，墩身為鋼筋混凝土圓形立柱，4#、5#橋墩基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，其他橋墩基礎(chǔ)采用混凝土鉆孔灌注樁。

2020 年3 月至6 月，某施工單位對該橋北端橋臺至北起4#橋墩之間進(jìn)行高填土攤鋪碾壓工作，填筑高度大約20m，東側(cè)超出橋墩外大約5m，然后按1∶2 放坡，北側(cè)3#墩往北5m，然后按1∶2 放坡。為減少填土工作對橋梁影響，2020 年7 月24 日，相關(guān)單位對高填土11 個孔進(jìn)行注漿，孔深22m，注漿期間連續(xù)下雨。2020 年8 月，管養(yǎng)單位在巡查中發(fā)現(xiàn)學(xué)院路橋北起2#橋墩限位塊存在開裂、破損現(xiàn)象，初步調(diào)查后發(fā)現(xiàn)橋梁存在向北的變位。為確保橋梁運營安全，管養(yǎng)單位及時對該橋采取了限行、限載措施，并對高填土進(jìn)行了卸載，并對該橋展開專項檢測。

為便于說明，墩臺由南向北依次編號，主梁由西向東依次編號。

2 受堆土施工直接影響而產(chǎn)生的表觀缺陷調(diào)查

結(jié)合該橋資料及現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果可知，堆土主要影響該橋第1 跨～第4 跨。以橋檢車、登高車為平臺對上述4 跨橋梁上、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)，堆土主要對該橋1#～3#橋墩下部結(jié)構(gòu)（含擋塊、支座等）產(chǎn)生了較大的影響，具體病害如下：

第一，該橋1#橋墩上方支座未見明顯滑動痕跡，而2#、3#橋墩上方板式橡膠支座頂面與T 梁間產(chǎn)生了明顯的滑動痕跡。2#橋墩上方板式橡膠支座相對于T 梁順橋向向北產(chǎn)生了40～110mm、橫橋向向東產(chǎn)生了30～60mm 的滑動距離；3#橋墩上方板式橡膠支座相對于T 梁順橋向向北產(chǎn)生了31～68mm、橫橋向東產(chǎn)生了28～42mm 的滑動距離。板式橡膠支座底面和支座墊石接合處未見明顯滑動。

第二，該橋1#～3#橋墩上方限位擋塊混凝土開裂破損，局部還伴有蓋梁劈裂、破損現(xiàn)象，主要分為兩種情況：其一，橫隔板與限位塊頂死，限位塊混凝土開裂、破損；其二，T 梁腹板與限位塊頂死，限位塊混凝土開裂、破損。

第三，該橋2#橋墩系梁近2—2#橋墩立柱處系梁南、北側(cè)面及頂面存在貫通裂縫，側(cè)面裂縫最大寬度為1.12mm，頂面裂縫最大寬度為1.00mm；3#橋墩系梁近3—2#橋墩立柱處系梁南、北側(cè)面均出現(xiàn)斜向裂縫，裂縫未延伸到系梁頂面，裂縫最大寬度為0.10mm。上述裂縫基本呈對稱分布狀態(tài)。

第四，該橋2#橋墩蓋梁西側(cè)面蓋梁中心與梁端中心存在110mm 的偏位。

為進(jìn)一步確定病害產(chǎn)生原因，相關(guān)單位對該橋進(jìn)行了橋梁結(jié)構(gòu)變位檢測。

3 橋梁結(jié)構(gòu)變位檢測結(jié)果

采用全站儀等高精密儀器，檢測單位重點對橋墩偏位及豎直度、橋跨間凈距等參數(shù)進(jìn)行了測量。經(jīng)綜合分析可知，2#、3#橋墩存在明顯的向北和向東的偏位，見圖1；2#橋墩偏位最大，順橋向向北產(chǎn)生了103.5mm 的偏位，橫橋向向東產(chǎn)生了60.5mm 的偏位；3#橋墩最大順橋向向北產(chǎn)生了69.0mm 的偏位，橫橋向向東產(chǎn)生了39.5mm 的偏位。

圖1 1#～3#橋墩立柱縱橋向和橫橋向偏移距離示意圖（單位：mm）

4 病害原因分析

上述病害產(chǎn)生的原因主要是由于1#～4#橋墩范圍內(nèi)高填土的攤鋪碾壓及鉆孔注漿施工，導(dǎo)致橋墩排架立柱受到較大的水平土壓力差，橋墩整體（其中以2#橋墩最為明顯）發(fā)生了向東和向北的變位，導(dǎo)致橋墩T 梁腹板和橋墩限位塊、橫隔板與橋墩限位塊頂死而開裂破損，橋墩系梁和立柱接合處受扭而開裂。

5 橋梁有限元分析結(jié)果

為了評估堆載作用對橋梁承載能力的影響，采用有限元軟件對該橋上、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，為保證檢算結(jié)果能真實反映結(jié)構(gòu)實際狀況，模型部分參數(shù)采用現(xiàn)場檢測真實值[5]。

5.1 橋墩排架立柱有限元分析結(jié)果

由檢查結(jié)果可知，2#橋墩順橋向向北最大偏位值為103.5mm，橫橋向向東最大偏位值為60.5mm；3#橋墩順橋向向北最大偏位值為69.0mm，橫橋向向東最大偏位值為39.5mm。由于偏位數(shù)據(jù)較大，且土體部分卸載后橋墩未完全回彈至原始狀態(tài)，橋墩立柱與橋臺接合處可能存在一定程度的損傷。此次主要依靠檢算來進(jìn)行模擬分析，并以此評估橋墩立柱的承載能力。

采用Midas Civil 2019 計算軟件建立橋墩立柱計算模型，見圖2。檢算模型中模擬橋梁墩立柱順橋向兩側(cè)水平土壓力差致使橋墩立柱產(chǎn)生順橋向偏位103.5mm 和69.0mm，由此評估2#、3#橋墩立柱承載力是否滿足安全承載要求，計算結(jié)果表明，2#橋墩立柱根部彎矩組合值為9295kN·m，不滿足2795kN·m抗力要求；2#橋墩立柱根部彎矩組合值5976kN·m，不滿足4760kN·m 抗力要求。

圖2 橋墩立柱計算模型

由檢算結(jié)果可以看出，在假設(shè)的計算圖式下，2#、3#橋墩立柱根部承載能力遠(yuǎn)不能滿足目前的安全承載要求。由于客觀條件限制，無法直接觀察立柱根部的現(xiàn)狀，根據(jù)評估結(jié)果可推斷，橋墩立柱根部區(qū)域極有可能已開裂，橋墩立柱結(jié)構(gòu)已發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)性損傷[6]。

5.2 上部結(jié)構(gòu)主梁承載能力檢算

采用橋梁專業(yè)有限元軟件橋梁博士3.6，建立該橋上部結(jié)構(gòu)有限元模型，檢算荷載包括恒載和活載，恒載包括主梁、橋面鋪裝及欄桿等附屬設(shè)施的自重，此次檢算活載主要指車道荷載及人群荷載等，該橋設(shè)計荷載等級為汽車-20 級、掛車-100 級，人群荷載取3.0kN/m2。檢算對象包括30.0mT 梁承載能力極限狀態(tài)抗彎、抗剪強度驗算；正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力、剛度驗算。

5.2.1 正截面抗彎強度檢算

根據(jù)承載能力檢算判式，T 梁跨中截面彎矩最不利組合計算值分別為6370kN·M（邊梁）和5660kN·M（中梁），可以滿足原設(shè)計汽車-20 級（包含人群荷載-3.0kN/m2）、掛車-100 荷載的安全承載要求。

5.2.2 梁端斜截面抗剪強度檢算

檢算選取T 梁距支座中心h/2 處斜截面進(jìn)行抗剪承載能力檢算，根據(jù)承載能力檢算判斷，該橋T 梁斜截面最大剪力組合值分別為741kN 和673kN，均能夠滿足原設(shè)計汽車-20 級（含人群荷載-3.0kN/m2）、掛車-100 荷載的安全承載要求。

5.2.3 正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力檢算

在正常使用狀態(tài)下，T 梁跨中正截面處下緣混凝土應(yīng)力驗算結(jié)果如下：

邊梁：0.15MPa（汽車）、-1.17MPa（掛車）。

中梁：1.73MPa（汽車）、0.79MPa（掛車）。

計算結(jié)果表明，目前，T 梁跨中截面在原設(shè)計汽車-20 級（含人群荷載-3.0kN/m2）、掛車-100 荷載作用下應(yīng)力計算結(jié)果滿足規(guī)范規(guī)定的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)力驗算要求。

5.2.4 豎向剛度檢算

此次檢算采用的是原設(shè)計汽車-20 級（人群荷載-3.0kN/m2）、掛車-100 級靜活載作為剛度檢算荷載，該橋T 梁跨中最大撓度計算結(jié)果如下：

邊梁：14.99mm（汽車）、19.91mm（掛車）。

中梁：11.29mm（汽車）、14.95mm（掛車）。

依據(jù)計算的結(jié)果表明，目前，該橋上部結(jié)構(gòu)T 梁豎向剛度均能夠滿足原設(shè)計汽車-20 級（含人群荷載-3.0kN/m2）、掛車-100 荷載的正常使用要求。

6 檢測結(jié)論

由上述檢查和檢算結(jié)果可知，堆載作用對學(xué)院路橋下部結(jié)構(gòu)1#～3#橋墩下部結(jié)構(gòu)（含擋塊、支座等）產(chǎn)生了較大的影響，該橋下部結(jié)構(gòu)已無法滿足承載要求，而上部結(jié)構(gòu)目前尚未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷。若下部結(jié)構(gòu)變位加劇，則上部結(jié)構(gòu)存在落梁危險，將對橋梁運營安全造成極為不利的影響，建議對2#、3#橋墩進(jìn)行大修加固。

7 結(jié)語

通過對陽泉市學(xué)院路橋進(jìn)行專項檢測，從表觀缺陷入手，采用全站儀等高精密儀器對該橋重點參數(shù)進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果擬合至有限元模型，定性和定量得到堆載對橋梁運營安全的影響，為準(zhǔn)確評估橋梁當(dāng)前技術(shù)狀況、制定安全又經(jīng)濟(jì)的維修處理方案提供了數(shù)據(jù)支撐。該案例可為未來項目類似缺陷的定性、定量提供借鑒和參考。

由此案例可知，對橋梁結(jié)構(gòu)定期展開巡查工作，在保證工作進(jìn)度和質(zhì)量前提前，對確保橋梁運營安全、重點病害“早發(fā)現(xiàn)、早處置”，可起到不可估量的現(xiàn)實意義。

由于該橋結(jié)構(gòu)形式為簡支梁橋，因堆載而引起的土壓力在初期僅對下部結(jié)構(gòu)造成了影響，若結(jié)構(gòu)形式是更為復(fù)雜的連續(xù)梁、拱橋等時，因內(nèi)力協(xié)調(diào)等原因，上部結(jié)構(gòu)將可能同步發(fā)生更多次生病害，對此類病害的研究還較為缺乏，需要更多工程實際和研究結(jié)論進(jìn)行補充，以此充實相對應(yīng)的檢測方法和評估手段。