橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)在堆載作用下的受力安全性分析

劉 浩

(中交第二航局工程局有限公司第五工程分公司，湖北 武漢 430014)

0 前 言

當(dāng)前，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模正在持續(xù)擴(kuò)大，在城市和農(nóng)村都紛紛建立起了大量的橋梁工程。而對(duì)于已經(jīng)處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的橋梁而言，在后續(xù)有可能會(huì)面臨橋下修建公路等情況。在此情形下，受橋下工程的影響，將會(huì)對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)造成堆載作用，原本處于穩(wěn)定運(yùn)行的橋梁安全性減弱，甚至?xí)l(fā)安全事故[1]。因此，有必要圍繞橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)在堆載作用下的受力安全性展開研究。

1 橋梁受損安全事故

近年來(lái)，因堆載作用而引發(fā)的橋梁安全事故諸多，對(duì)此本文進(jìn)行了總結(jié)，具體如表1所示。

表1 橋梁受損安全事故

出現(xiàn)各類型橋梁事故后，多位學(xué)者對(duì)其展開了深入的研究。以宋寧為代表的團(tuán)隊(duì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)損傷展開了探討，結(jié)果表明，在橋側(cè)堆載的作用下將會(huì)引發(fā)橋墩結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形或者是損傷等問(wèn)題；孫宗磊等則圍繞新建橋梁周邊土層所形成的附加應(yīng)力展開探討，結(jié)果表明，在其作用下將會(huì)引發(fā)橋梁出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降變形現(xiàn)象。本文對(duì)于既有橋梁填筑工程施工中所出現(xiàn)的堆載作用展開探討，明確其對(duì)于橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的受力機(jī)制。

2 工程概況

2.1 工程概況

北盤江特大橋是北盤江峽谷兩側(cè)的主要連接方式，橋梁總長(zhǎng)度為1 261 m，其中主橋部分的中心樁號(hào)為K31+345，采用多跨徑組合的形式。主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土斜腿式連續(xù)剛構(gòu)，引橋部分為簡(jiǎn)支T梁。

主橋共由4個(gè)懸澆T連續(xù)梁組成，各自對(duì)應(yīng)的規(guī)格不盡相同，其中最大懸臂長(zhǎng)度達(dá)到了144 m，為主懸澆T，而次懸澆T的懸臂長(zhǎng)度相對(duì)要小一些，為74 m。橋梁左右幅箱梁分幅設(shè)計(jì)，為單箱單室結(jié)構(gòu)。

2.2 主要地質(zhì)情況

根據(jù)地層巖性特征和巖土工程地質(zhì)性質(zhì)，從地表往下，共劃分以下幾個(gè)工程地質(zhì)層，各層巖性特征具體如下。

1)第1層，角礫土、碎石土：黃褐、灰褐色，以角礫土為主，成分為玄武巖、灰?guī)r，黏性土含量約占30%，稍密至中密狀。鉆孔揭露最大厚度為54.8 m。

2)第2層，角礫土、碎石土：黃褐、褐色，以角礫土為主，成分以玄武巖為主，弱黏性，松散至密實(shí)狀。鉆孔揭露最大厚度為12.4 m。

3)第3層，黏土、亞黏土：棕紅色為主，為玄武巖風(fēng)化殘積土，具一般黏性土特點(diǎn)，含少量鐵錳質(zhì)氧化物，硬塑狀為主。鉆孔揭露最大厚度為6.8 m。

4)第4層，全風(fēng)化玄武巖：紅褐、黃褐色，原巖結(jié)構(gòu)尚可辨認(rèn)，裂隙面附鐵質(zhì)氧化物，巖芯遇水易軟化，中密狀為主，局部夾少量原巖碎塊。鉆孔揭露最大厚度為24.3 m。

5)第5層，強(qiáng)風(fēng)化玄武巖：灰褐、灰綠色，柱狀節(jié)理極發(fā)育，具有球狀風(fēng)化物，裂隙面見(jiàn)有鐵質(zhì)侵染，主要礦物成分為斜長(zhǎng)石、橄欖石和輝石。巖性屬較軟巖，巖體極破碎。鉆探最大揭露厚度為69.3 m。

6)第6層，弱風(fēng)化灰?guī)r：淺灰、深灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄至中厚層狀構(gòu)造，含燧石團(tuán)塊和條帶。節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體極破碎至較破碎，巖石為較硬巖，巖溶發(fā)育。鉆探最大揭露深度62 m。

7)第7層，微風(fēng)化灰?guī)r：灰色、灰黑色，中厚層狀構(gòu)造，含燧石團(tuán)塊或條帶。巖體較破碎至較完整，巖石屬較硬巖，巖溶發(fā)育。鉆孔揭露最大厚度為53 m。

3 工程特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)

3.1 工程特點(diǎn)

1)工程整體規(guī)模較大，對(duì)技術(shù)水平提出了較高的要求。橋梁以290 m的跨度成為國(guó)內(nèi)同類型中跨度最大的橋梁，在實(shí)際施工中對(duì)于技術(shù)水平提出了極高的要求。

2)工程所在區(qū)域環(huán)境較為復(fù)雜，道路以急彎陡坡為主，不利于原材料的運(yùn)輸。

3.2 主要技術(shù)難點(diǎn)

1)挖孔灌注樁成孔難度大。項(xiàng)目所在區(qū)域的地質(zhì)條件復(fù)雜，主墩位于北盤江岸邊斜坡上，由于呈階梯形狀，無(wú)法為施工提供較好的平臺(tái)，在展開基坑開挖作業(yè)前有必要采取防護(hù)措施。

2)受本工程特殊性的影響，加大了體積混凝土溫控工作的難度。

3)墩身模板支設(shè)難度大。受主墩高度偏大的影響，底部的各橋墩之間基于0.5 m厚薄壁做進(jìn)一步的連接，這會(huì)明顯加大施工難度。此外，橫橋向基于1∶100的原則進(jìn)行放坡，還需要將4個(gè)角設(shè)置為0.5 m的圓弧過(guò)渡形式。

4 護(hù)筒防護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造

在對(duì)橋梁下方區(qū)域進(jìn)行高回填作業(yè)的過(guò)程中，受回填土堆載的影響，極容易引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量問(wèn)題[2]?？紤]到這一問(wèn)題，有必要采取可行的防護(hù)措施，也就是在回填土與橋梁下部結(jié)構(gòu)之間增設(shè)一個(gè)隔離裝置，以免橋墩受堆載的持續(xù)性影響，對(duì)此，本工程提出橋墩護(hù)筒結(jié)構(gòu)方案。如果護(hù)筒不出現(xiàn)斷裂等不良情況，此時(shí)橋體則不會(huì)受到堆載作用。所使用的護(hù)筒結(jié)構(gòu)可以有效地承受填土所形成的不均勻側(cè)向力，但此處并未考慮到高填土荷載的影響，因此，主要可以被應(yīng)用于橋墩防護(hù)工作中，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 護(hù)筒結(jié)構(gòu)示意圖

宜將護(hù)筒設(shè)置在橋墩周邊區(qū)域，但需要與橋墩形成一定的間隔。為上小下大的階梯護(hù)筒形式，且材料以鋼筋混凝土為宜?；诜謱拥脑瓌t展開護(hù)筒的澆筑施工。在進(jìn)行土體回填操作時(shí)，應(yīng)以均勻分層的原則做進(jìn)一步的夯實(shí)處理，以免在回填過(guò)程中出現(xiàn)不均勻沉降等問(wèn)題。如果各個(gè)墩結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有橫系梁，則需要為此增設(shè)一個(gè)護(hù)套結(jié)構(gòu)，此舉可以有效地避免回填土直接作用到系梁的現(xiàn)象。

5 堆載作用下護(hù)筒結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)使用護(hù)筒防護(hù)結(jié)構(gòu)后，結(jié)束填土?xí)r護(hù)筒周邊所承受的土壓力將會(huì)呈對(duì)稱的狀態(tài)，而不均衡側(cè)向土壓力則集中在填土以及壓實(shí)這兩大環(huán)節(jié)中。基于護(hù)筒結(jié)果靜力分析，能夠進(jìn)一步復(fù)核堆載過(guò)程中所形成的附加土應(yīng)力，以便消除填土過(guò)程中的壓力不均衡現(xiàn)象[3]。

5.1 單個(gè)護(hù)筒的結(jié)構(gòu)靜力分析

5.1.1 最不利分析荷載

全面分析荷載的影響，需要重點(diǎn)考慮到存在于最不利填筑土體所形成的附加土應(yīng)力，且護(hù)筒兩側(cè)的0.5 m填筑高差也是需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。在填夯作業(yè)的過(guò)程中，考慮到因設(shè)備所帶來(lái)的護(hù)筒附加側(cè)壓力情況，又由于工程所在區(qū)域降雨偏多，還需考慮雨水所帶來(lái)的影響。當(dāng)出現(xiàn)持續(xù)降雨時(shí)，則適當(dāng)?shù)馗淖兺馏w內(nèi)摩擦角，它應(yīng)為正常狀態(tài)下的90%。

5.1.2 計(jì)算圖式

當(dāng)處于最不利工況下，則將護(hù)筒視為懸臂樁受力狀態(tài)，但是受填土法的影響，護(hù)筒兩側(cè)需要形成高差，即右側(cè)比左側(cè)略高0.5 m為宜。

5.1.3 抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算及水平向裂縫寬度驗(yàn)算

無(wú)論是展開抗彎強(qiáng)度還是水平裂縫驗(yàn)算，此時(shí)存在于護(hù)筒兩側(cè)的土壓力都要被視為被動(dòng)土壓力，在碾壓設(shè)備的作用下將會(huì)形成附加土壓力，此時(shí)在面對(duì)車輪荷載影響時(shí)，則將其視為主動(dòng)土壓力。

以各截面的實(shí)際尺寸以及對(duì)應(yīng)的配筋情況為基準(zhǔn)，進(jìn)而得到左、右側(cè)的土壓力值，在此基礎(chǔ)上圍繞承載能力極限狀態(tài)下護(hù)筒變截面處所形成的彎矩值M展開分析?？紤]到短期效應(yīng)組合的影響，分析此情況下開裂截面縱向受拉鋼筋的應(yīng)力值σs，加之公路橋規(guī)進(jìn)一步得到裂縫寬度的上限值。

5.2 填筑施工過(guò)程中堆載作用分析

5.2.1 參數(shù)選取

引入了Midas GTSNX有限元分析法，在此基礎(chǔ)上明確填土堆載以及機(jī)械荷載作用下所引發(fā)的橋墩護(hù)筒力學(xué)變化情況。模型對(duì)應(yīng)的材料為砂性土，而土體部分則引入了理想彈塑性莫爾-庫(kù)侖模型，最后，護(hù)筒部分引入的是線彈性模型。

5.2.2 分析工況

基于填筑方式以及機(jī)械設(shè)備重量等多方面因素，進(jìn)一步分析本工程的工況。

工況1：護(hù)筒底部原狀土為初始應(yīng)力狀態(tài)。

工況2：澆筑鋼筋混凝土護(hù)筒。

工況3：以2 m為基準(zhǔn)展開分層填土。

工況4：回填護(hù)筒埋深使用的是原狀土。

工況5：護(hù)筒兩側(cè)的填土存在0.5 m的高差情況，對(duì)于其中填土較高的一側(cè)，其對(duì)應(yīng)的機(jī)械荷載則通過(guò)壓力荷載的形式逐步施加。

5.2.3 計(jì)算模型

基于填筑工程平場(chǎng)標(biāo)高情況，在此基礎(chǔ)上明確與既有空間結(jié)構(gòu)所形成的關(guān)系，加之所在區(qū)域的地質(zhì)因素影響，圍繞鋼筋混凝土護(hù)筒以及巖體情況創(chuàng)建出對(duì)應(yīng)的有限元模型，以便后續(xù)分析工作的持續(xù)進(jìn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

1)本文基于既有橋梁堆載而提出了護(hù)筒結(jié)構(gòu)防護(hù)方式，可以為工程創(chuàng)造穩(wěn)定的環(huán)境，是一種較為可行的安全措施。

2)所使用的護(hù)筒結(jié)構(gòu)的基本原理是實(shí)現(xiàn)對(duì)堆載的轉(zhuǎn)移，此時(shí)將會(huì)作用到與橋梁結(jié)構(gòu)并不存在直接接觸的外圍防護(hù)裝置中，如果護(hù)筒不出現(xiàn)斷裂等問(wèn)題，橋梁結(jié)構(gòu)不會(huì)受到任何堆載作用的影響。

3)通過(guò)對(duì)堆載過(guò)程的分析可知，鋼筋混凝土橋墩護(hù)筒存在一個(gè)最不利工況，主要集中在堆載高度最大這一階段，此時(shí)無(wú)論是拉應(yīng)力還是變形都相對(duì)較大。