程紹俊， 高榮雄， 肖溢華， 程雙希， 樂 穎， Duraid Hasan

(1.安陽市公路管理局， 河南 安陽 455000；2. 華中科技大學 a.土木工程與力學學院； b. 控制結構湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430074)

U型橋臺常見病害機理與加固技術研究

程紹俊1， 高榮雄2， 肖溢華2， 程雙希1， 樂 穎2， Duraid Hasan2

(1.安陽市公路管理局， 河南 安陽 455000；2. 華中科技大學 a.土木工程與力學學院； b. 控制結構湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430074)

U型橋臺作為經(jīng)典的橋臺結構形式，在橋梁設計中運用十分廣泛。在橋梁運營過程中，U型橋臺由于受力形式復雜，容易出現(xiàn)各種病害。根據(jù)大量的現(xiàn)場調查，U型橋臺的常見病害具有共性。本文在歸納U型橋臺主要病害類型的基礎上，深入分析U型橋臺病害機理，提出U型橋臺加固方法。運用ANSYS有限元軟件的非線性分析功能，建立加固前后橋臺的三維空間實體模型，通過不同高度和寬度的橋臺受力分析，對比研究加固前后U型橋臺的應力和位移情況，從而對各種加固方法的加固效應加以評估。研究表明：土壓力等荷載作用下導致的臺身主拉應力偏大，尤其是前墻與側墻交匯處，是橋臺臺身開裂的主要內因，因地制宜采用合適的加固方式可有效防止橋臺開裂。

U型橋臺； 病害機理； 非線性分析； 加固

由于構造簡單、施工方便、成本低廉，使得U型橋臺在橋梁建設中運用非常廣泛[1]。某些特殊的地形還造就了很多高、寬、大的重力式橋臺。在運營過程中，由于活載、結構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[2]。而作為橋梁結構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，對其病害進行調查歸納，深入分析病害機理，并提出加固治理對策是十分必要的。

1 U型橋臺主要病害

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)橋梁實地調查，發(fā)現(xiàn)U型橋臺的病害主要歸納如下(圖1)[3，4]。

圖1 U型橋臺典型病害

1.1 臺身開裂

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 橋臺側墻開裂

因臺后填土施工不規(guī)范以及橋梁運營時的超載作用，橋面鋪裝層開裂、滲水，大量的雨水滲入臺內，使得臺后填土內摩擦角減小、飽和容重增大，臺后土壓力大幅度增加，使側墻外傾開裂。其次橋臺基礎局部地基承載力不足，基礎不均勻沉降，導致橋臺內部應力重分布，應力和變形增大，造成橋臺側墻開裂。

1.3 橋臺前墻和側墻交匯處開裂

橋臺前墻和側墻角隅處受到的土壓力合力較大，角隅處拉應力較大。當橋臺前墻和側墻尺寸較小，而又沒有設置角隅鋼筋時，角隅處將在過大土壓力作用下應力超限而開裂。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墻的夾角為鈍角時，在墻背土壓力的作用下，前墻與側墻連接的轉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 橋臺臺后填土下沉

臺背回填土須按規(guī)定分層壓實施工，單層層厚在20～30 cm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，往往導致橋臺臺后填土的施工質量不佳，填土壓實度不達標，甚至直接將大塊石料填入臺內，使得橋臺在通車后由于臺內填料的沉降而出現(xiàn)橋臺開裂及路面凹陷等病害。

2 橋臺病害影響因素分析

2.1 橋臺有限元模型參數(shù)的選取及模型建立

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)點單元對其進行模擬[5]，其它參數(shù)分別為：壓縮模量為48 MPa，泊松比為0.3，內摩擦角為30°，粘聚力為30 kPa，密度為1900 kg/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[6]，將臺身材料也視為線彈性材料，選用solid65八節(jié)點實體單元對其進行模擬，參數(shù)取值如下：壓縮模量取值為4.8 GPa，泊松比取值為0.167，密度取值為2500 kg/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[7]，目標面為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25 m，高20 m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。

圖2 橋臺有限元模型

2.2 橋臺高度對其受力影響

為研究橋臺高度對受力的影響特點，選取兩組U型橋臺進行模擬分析，第一組橋臺寬度B為20 m，第二組橋臺寬度B為25 m，兩組橋臺的高度均從10 m漸變到20 m，級差1 m。部分主拉應力云圖如圖3。

圖3 主拉應力云圖

從第一主拉應力云圖可以得出，橋臺的最大主拉應力出現(xiàn)在橋臺側墻和前墻的交角處。分別提取各橋臺的最大第一主拉應力值，變化如圖4所示。

圖4 不同高度U型橋臺最大第一主拉應力值

分析圖4可以得到，寬度不變時，橋臺的最大第一主拉應力值隨高度的增大而增大。但是不同寬度下最大主拉應力的增量幾乎不隨橋臺高度而變化。也即橋臺寬度分別為25 m和20 m的應力差值在不同高度下變化不大。

2.3 橋臺寬度對其受力影響

隨著橋臺寬度的加大，側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型橋臺進行分析，第一組橋臺高度H為15 m，第二組橋臺高度H為20 m，兩組橋臺的寬度均從16 m漸變到30 m，級差2 m。

從第一主拉應力云圖可以得出，橋臺的最大主拉應力仍然出現(xiàn)在橋臺側墻和前墻的交角處。分別提取各個橋臺的最大第一主拉應力值，如圖5所示。

圖5 不同寬度的U型橋臺最大第一主拉應力

由圖5可知，當橋臺高度不變時，橋臺最大第一主拉應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。不同高度下主拉應力隨橋臺寬度的變化增量幾乎相同。

從高度為15 m和20 m的兩組橋臺算例中，分別提取出寬度為16、20、24、28 m時所有橋臺前墻和側墻交角處，高度從0 m漸變到15 m(或20 m)時的主拉應力值繪制曲線如圖6所示。

圖6 不同寬度U型橋臺前墻和側墻交角處 沿高度方向第一主拉應力變化

由圖6可以得出：(1)橋臺高度不變時，隨著橋臺寬度的變大，最大第一主拉應力值變大；(2)各個寬度下橋臺第一主拉應力在頂端和底端較小，最大第一主拉應力值約在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，但是由于橋臺側墻和前墻的坡度，底端截面面積增大，因此應力反而較小，從而最大第一主拉應力出現(xiàn)在橋臺中部。

2.4 臺后填土含水率對橋臺受力的影響

當排水設施設置不完善，或者由于橋臺對應位置路面破損，雨水等滲入造成橋臺內腔積水，臺后填土在雨水的浸潤下吸水膨脹，導致填土容重、內摩擦角以及粘聚力等性質的改變，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%的一組橋臺進行模擬分析，假設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力值繪制曲線變化圖如圖7所示。

圖7 不同含水率U型橋臺最大第一主拉應力值變化

由圖7可知，隨著填土含水率的增加，橋臺最大第一主拉應力值也相應增加。因為隨著含水率的增加，填土內摩擦角減小、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墻交角處，高度從0 m漸變到15 m時的第一主拉應力如圖8所示。

圖8 不同含水率U型橋臺前墻和側墻交角處 沿高度方向第一主拉應力變化

由圖8可以得出：(1)U型橋臺的最大第一主拉應力值隨填土含水率的增加而增加，高度相同時，橋臺的第一主拉應力值也隨填土含水率的增大而增大；(2)橋臺第一主拉應力值仍然是在頂端和底端相對較小，最大主拉應力仍然位于2H/3處。

3 U型橋臺加固方式

由于U型橋臺數(shù)量多，在加固實踐的基礎上，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[8]。

3.1 前墻布置錨桿加固法

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[9]，當橋臺高度不大時，過多地增加錨桿數(shù)量并不能相應地提高錨桿對前墻的約束作用。

圖9 前墻錨桿加固示意

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，最大第一主拉應力相比于不設置錨桿時明顯降低，且隨著錨桿數(shù)量的增加，最大第一主拉應力值降低的幅度也增大，最高達到25 %左右。此外，前墻增設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墻上時，側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，側墻位移反而增加。

表1 不同數(shù)量錨桿加固U型橋臺應力和位移

3.2 側墻對拉鋼絞線加固法

臺后填土壓力過大時，橋臺側墻外傾開裂，此時可在兩側墻之間張拉預應力鋼絞線[10]，提高側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，對橋臺進行卸載，然后對側墻的裂縫進行修補，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。當然其施工也可以不挖臺內填土，而采用鉆孔張拉錨桿。為避免張拉鋼絞線時側墻局部受力過大而混凝土被壓碎，一般將鋼絞線錨固在側墻外側澆筑的混凝土墊梁上以減輕應力集中現(xiàn)象。

圖10 側墻對拉鋼絞線加固法示意

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力和位移值列表如表2所示。

表2 不同數(shù)量鋼絞線加固U型橋臺應力和位移

由表2可知，在應力方面，橋臺對拉鋼絞線加固時，最大第一主拉應力相比于不設置鋼絞線時有顯著降低，并且隨著鋼絞線數(shù)量的增加，最大第一主拉應力減小的幅度也變大，當在側墻布置三排鋼絞線時，其最大第一主拉應力值減小率達到20%左右。在位移方面，側墻對拉鋼絞線加固時，側墻位移減小十分明顯，因為橋臺最大橫橋向位移出現(xiàn)在側墻端部，在鋼絞線的作用下，可以有效地限制側墻在土壓力作用下的位移，當對拉三排鋼絞線時，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，因為鋼絞線對側墻的作用力相當于一對水平拉力，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，順橋向位移也相應地增加。因此采用對拉鋼絞線加固橋臺時，應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，以達到更好的效果。

3.3 鋼筋混凝土圈梁加固法

此種加固方法通過在橋臺側墻和前墻外側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，對橋臺進行卸載，對開裂的部位進行修復之后在側墻和前墻外側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墻鉆孔布置梅花型牽釘，然后將混凝土圈梁內的鋼筋網(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，待混凝土強度達到一定程度后，回填臺后填土，可以選擇輕質材料回填，從另一方面減小土壓力。

圖11 混凝土圈梁加固法示意

采用布置一道或兩道截面尺寸為50 cm×50 cm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力和位移值列表如表3所示。

表3 不同數(shù)量混凝土圈梁加固U型橋臺應力和位移

由表3可知，在應力方面，澆筑混凝土圈梁加固橋臺時，橋臺最大第一主拉應力值較不澆筑混凝土圈梁時要明顯減小，并且，當增加混凝土圈梁數(shù)量時，最大第一主拉應力值減小幅度也變大，當在橋臺前墻和側墻外側布置兩道混凝土圈梁時，橋臺最大第一主拉應力值降低約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，當在前墻和側墻外側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墻和前墻的作用相當于在側墻和前墻上作用一個垂直于側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，從而達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 倒角加固法

該方法通過在橋臺側墻和前墻交匯處設置一定長度的倒角實施。由有限元分析結果可知，U型橋臺的最大主拉應力值出現(xiàn)在橋臺側墻和前墻交角處，原因是側墻和前墻交角處承受兩個方向的水平土壓力合力，導致應力集中，因而可以在橋臺側墻和前墻的交角處設置一定長度的倒角，使交角由90°變?yōu)殁g角，有效減小應力集中，降低橋臺側墻和前墻交角處的最大主拉應力值。在工程實踐中，為了減小U型橋臺的最大主拉應力值，可在側墻和前墻交角處設置倒角。本文擬采用設置寬度分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m的倒角加固橋臺，計算得到橋臺原型和各個加固橋臺應力和位移值列表如表4所示。

表4 不同倒角寬度U型橋臺最大第一主拉應力值

從表4可以看出，在應力方面，不論設置多寬的倒角，其最大第一主拉應力值相比于不設置倒角時，都有一定程度的降低，并且隨著倒角寬度的增加，最大第一主拉應力值降低的比率也會隨之增加，最大可以達到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大于橋臺最大橫橋向位移值降低的比率，并且隨著橋臺設置倒角寬度的增加，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，而設置倒角就好像對橋臺前墻設置一對橫撐，能有效地增加橋臺前墻剛度，從而有效地減小橋臺的順橋向位移，如表中所示，當設置寬度為3 m的倒角時，橋臺最大順橋向位移降低了將近35 %，而橋臺最大橫橋向位移只降低7 %左右。

4 結 論

(1)無論U型橋臺的高度和寬度如何改變，橋臺最大第一主拉應力總是在橋臺側墻和前墻交角處，位置處于橋臺高度的2H/3處左右；

(2)橋臺寬度不變時，隨著橋臺高度的變大，橋臺最大第一主拉應力也隨之變大；橋臺高度不變時，隨著橋臺寬度的增加，橋臺最大第一主拉應力也隨之增加；橋臺高度和寬度都不變時，隨著橋臺臺后填土含水率的增加，橋臺最大第一主拉應力也隨之增加；

(3)采用前墻布置錨桿加固U型橋臺時，橋臺的最大第一主拉應力和最大順橋向位移均明顯減小，橋臺最大橫橋向位移有微小增加，因而該加固方式的不足是無法減小橋臺最大橫橋向位移；

(4) 采用側墻對拉鋼絞線加固U型橋臺時，橋臺的最大第一主拉應力和最大橫橋向位移均明顯減小，橋臺最大順橋向位移有微小增加，因而該加固方式的不足是不能減小橋臺最大順橋向位移；

(5)采用澆筑鋼筋混凝土圈梁加固U型橋臺時，橋臺的最大第一主拉應力、最大順橋向位移和最大橫橋向位移均明顯減小；

綜上所述，U型橋臺出現(xiàn)過大主拉應力而引起橋臺出現(xiàn)裂縫，其根源主要是臺背填土引起的土壓力過大所致。前墻布置錨桿加固法、側墻對拉鋼絞線加固法、鋼筋混凝土圈梁加固法以及倒角加固法等方式加固U型橋臺，可以有效地減小橋臺受力和位移效應，可因地制宜采用。

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Study on Typical Disease Mechanism and Reinforcement Technology for U-Shaped Abutment

CHENGShao-jun1,GAORong-xiong2,XIAOYi-hua2,CHENGShuang-xi1,YUEYing2,DuraidHasan2

(1.Anyang Highway Administration, Anyang 455000, China;2. a. School of Civil Engineering and Mechanics; b. Hubei Key Laboratory of Control Structures,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

As a classic structural form, U-shaped abutment is widely used in bridge design. In the process of bridge operation, U-shaped abutment is prone to various diseases due to the complex stress. According to a great deal of field surveies, the typical diseases of U-shaped abutment have common character. Based on major disease types，this paper further analyzed disease mechanism and proposed reinforcement methods on U-shaped bridge abutment. By applying nonlinear analysis function of ANSYS finite element software and establishing three-dimensional solid model for abutment before and after reinforcement, with the mechanical analysis under different height and width of abutment, this paper is intended to assess reinforcement effect of various methods via relative analysis on stress and displacement before and after reinforcement. Investigation shows that the larger principal tensile stresses under multiple loads such as earth pressure are the main cause of cracking of abutment, especially at junction of front wall and side wall. On the basic of actual situations, the suitable reinforcement methods can keep U-shaped abutment from cracking.

U-shaped abutment; disease mechanism; nonlinear analysis; reinforcement

2014-08-15

2014-10-17

陳紹俊(1962-)，男，河南安陽人，高級工程師，研究方向為橋梁管理(Email: 151609184@qq.com)

高榮雄(1969-)，男，福建福安人，副教授，博士，研究方向為橋梁健康評估與加固(Email: bridge115@hust.edu.cn)

U445.7+2

A

2095-0985(2014)04-0022-07