施工偏位對預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋墩身承載力的影響分析

李鵬飛 陶小委

（1.河南省豫南高速投資有限公司，河南 信陽 464000；2.黃河交通學(xué)院交通工程學(xué)院，河南 焦作 454150）

0 引言

橋墩是支撐橋跨結(jié)構(gòu)并將恒載和活載傳至地基的結(jié)構(gòu)，是橋梁的重要受力結(jié)構(gòu)。在上部荷載作用下，橋墩一般為軸心受壓或小偏心受壓構(gòu)件。柱式橋墩一般采用分節(jié)段現(xiàn)澆施工，節(jié)段高度根據(jù)墩身高度及施工方法確定。墩身分節(jié)段施工應(yīng)采取有效措施，確保墩身垂直度滿足要求。受測量誤差、模板變形等因素影響，橋墩在施工過程中時常發(fā)生因放樣錯誤或控制不當(dāng)造成的超出施工規(guī)范和驗收標(biāo)準(zhǔn)限值的軸線偏位［1］。橋墩的軸線偏位將增大結(jié)構(gòu)在軸向壓力作用下的撓曲二階效應(yīng)，引起較大的附加彎矩，改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。對于施工中造成的橋墩偏位，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)檢測并通過計算分析評估對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。張贊鵬等［2］以某橋梁因渣土堆積造成橋墩偏位超限為例，對橋墩偏位超限所在橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀檢測、實體檢測和安全評估計算。徐小茹［3］、夏宏宇等［4］以某墩柱偏位超限高墩連續(xù)梁橋為例，建立全橋桿系結(jié)構(gòu)與墩柱實體結(jié)構(gòu)有限元模型，分析墩柱偏位超限對主梁、墩柱的內(nèi)力、變形及穩(wěn)定性的影響。本研究以某跨徑組合為5×30 m 公路橋梁為工程背景，對橋梁3#墩偏位進(jìn)行了檢測，并對橋墩承載能力和抗裂性能進(jìn)行了評估計算，分析了橋墩偏位對結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程項目背景

某公路橋梁跨徑組合為5×30 m，橋梁全長160 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用30 m 預(yù)制小箱梁，先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)體系。橋墩采用圓柱式墩、單排樁基礎(chǔ)，橋橫斷面布置如圖1 所示。主梁和現(xiàn)澆濕接縫均采用C50 混凝土，調(diào)平層采用C40 混凝土。橋墩墩身、蓋梁和系梁采用C35 混凝土，橋臺臺帽、耳背墻、肋板采用C35 混凝土，承臺采用C30 混凝土，樁基采用水下C30 混凝土。橋梁設(shè)計荷載等級為公路-Ⅰ級，設(shè)計基準(zhǔn)期為100年，所處環(huán)境類別Ⅱ類，設(shè)計洪水頻率為1/100，設(shè)計安全等級為一級。在橋梁施工過程的質(zhì)量檢測中，發(fā)現(xiàn)左幅3#墩立柱存在偏位，墩柱豎直度超過規(guī)范［5］允許值。為保證橋梁的建設(shè)質(zhì)量和建成后的運營安全，需要評估橋墩偏位對橋梁結(jié)構(gòu)受力和安全影響。

圖1 橋梁橫斷面布置（單位：cm）

2 橋墩偏位檢測

2.1 橋墩偏位檢測方法

根據(jù)檢測方式不同，橋墩偏位檢測分為有接觸檢測和無接觸檢測。有接觸檢測包括激光垂準(zhǔn)儀法、垂線法和靠尺法等，測量時需要將儀器接觸墩身。有接觸檢測受現(xiàn)場條件限制較大，一般需要額外的檢測作業(yè)車等設(shè)備，檢測難度較大且準(zhǔn)確性難以保證。無接觸檢測一般采用無合作目標(biāo)型全站儀，在無反射棱鏡的條件下，對目標(biāo)直接測量。對不便安裝反射棱鏡的橋墩，無合作目標(biāo)型全站儀具有明顯優(yōu)勢。本研究橋墩偏位檢測采用徠卡Nova TS50 高精度全站儀，測角精度為0.5 s，無合作目標(biāo)距離測程可達(dá)1 000 m。

2.2 橋墩偏位檢測結(jié)果

橋墩采用圓柱式墩，基礎(chǔ)為單排樁基礎(chǔ)。墩身立柱直徑1.6 m，樁基直徑1.8 m。采用無接觸橋梁立柱偏心測量法［6］，對橋梁3#墩立柱偏位情況進(jìn)行檢測，結(jié)果表明：3-1#立柱高6.274 m，柱頂橫橋向左偏27.1 mm，縱向偏向大樁號15.2 mm，立柱合成最大偏位31.1 mm，垂直度4.96‰；3-2#立柱高6.143 m，柱頂橫橋向左偏9.0 mm，縱向偏向大樁號3.2 mm，立柱合成最大偏位9.6 m，垂直度1.55‰。

3 基于模型的支座反力計算

3.1 有限元模型的建立

有限元將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片表示求解域上待求的未知場函數(shù)，近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點的數(shù)值插值函數(shù)來表達(dá)。從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法在工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍，已成為一種應(yīng)用廣泛、實用高效的數(shù)值分析方法。有限元法求解問題的基本過程主要包括分析對象的離散化、有限元求解、計算結(jié)果的后處理三部分。

Midas Civil軟件是一款主要針對橋梁結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計的有限元軟件，在國內(nèi)擁有大量的用戶群，工程應(yīng)用較為廣泛。為了準(zhǔn)確計算上部結(jié)構(gòu)的恒載和活載，以便對左幅橋3#墩進(jìn)行承載力和抗裂計算。利用Midas Civil 有限元軟件建立上部結(jié)構(gòu)5×30 m 連續(xù)箱梁空間有限元模型，如圖2 所示。根據(jù)設(shè)計支座布置，采用彈性連接和一般支撐模擬支座邊界。根據(jù)設(shè)計車道數(shù)和位置建立車道作用線，并建立車道荷載模擬汽車荷載作用。

圖2 5×30 m連續(xù)箱梁空間有限元模型

3.2 橋梁支座反力的結(jié)果

公路橋梁設(shè)計應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的作用，按承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行作用組合，取其最不利組合效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)規(guī)范要求［7-8］，分別按承載能力極限狀態(tài)基本組合、正常使用極限狀態(tài)頻遇組合計算，得出橋梁3#墩支座反力見表1。由于3#墩為5×30 m 連續(xù)橋梁的中墩，按最不利情況，支座按縱向固定考慮，計算整聯(lián)支座反力如圖3所示。

圖3 支座在最不利荷載下的反力（單位：kN）

表1 3#墩在各荷載組合下的支座反力

4 橋墩的承載力和抗裂驗算

4.1 3#墩的受力計算

利用Midas Civil 有限元軟件建立3#墩蓋梁、立柱和樁基的有限元模型，并將上部結(jié)構(gòu)荷載按支座位置施加于蓋梁上進(jìn)行計算分析。參照地質(zhì)勘察報告和地基規(guī)范［9］中土層力學(xué)參數(shù)設(shè)置土彈簧，考慮樁土相互作用。在3.2節(jié)中計算的支座反力和結(jié)構(gòu)自重作用下，3#墩在最不利基本組合下立柱最大彎矩為-3 005.0 kN，最大軸力為-6 562.1 kN，最不利基本組合下橋墩受力見圖4；3#墩在最不利頻遇組合下立柱最大彎矩為-1 502.7 kN，最大軸力為-4 885.0 kN。

圖4 最不利基本組合下橋墩受力圖示

4.2 墩柱截面強(qiáng)度驗算

柱底截面為受力最不利截面，根據(jù)4.1 節(jié)橋墩受力計算結(jié)果，并考慮橋墩傾斜偏位產(chǎn)生的附加彎矩影響，對于偏位值較大的3-1#立柱計算柱底截面受力見表2。根據(jù)橋墩立柱設(shè)計混凝土強(qiáng)度、柱底截面配筋布置和其他設(shè)計參數(shù)，按規(guī)范［7］計算柱底截面抗力承載力受力見表3。3-1#立柱截面抗力Mj=9 247.90 kN·m＞計算彎矩M=3 208.43 kN·m，抗力Nj=18 914.43 kN＞計算軸壓力N=6 562.10 kN，墩身截面強(qiáng)度滿足要求，且承載力仍有較大富余。

表2 3-1#立柱墩底受力計算結(jié)果

表3 3-1#立柱墩底截面抗力驗算結(jié)果

4.3 墩柱截面抗裂驗算

根據(jù)橋梁圖紙截面配筋，按最不利荷載組合對3-1#立柱截面強(qiáng)度和裂縫寬度進(jìn)行驗算，橋涵所處環(huán)境類別為Ⅱ類，裂縫寬度限值為0.2 mm。由表4中裂縫寬度驗算結(jié)果可知：3-1#立柱計算裂縫寬度0.036 0 mm＜裂縫寬度限值0.20 mm，墩身計算裂縫寬度滿足要求。

表4 3-1#立柱墩底截面裂縫寬度驗算結(jié)果

5 結(jié)語

橋墩主要作用是承受上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，并通過基礎(chǔ)將荷載及本身自重傳遞到地基上。因此，橋墩是橋梁的主要受力構(gòu)件，其受力安全對橋梁結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。當(dāng)出現(xiàn)施工誤差造成墩身傾斜時，應(yīng)及時對橋墩垂直度進(jìn)行檢測，評估其對橋梁結(jié)構(gòu)造成的不利影響，判斷結(jié)構(gòu)承載能力和抗裂性能是否滿足設(shè)計要求。本研究以某跨徑組合為5×30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋為工程背景，采用無接觸橋梁立柱偏心測量法對出現(xiàn)偏位的3#橋墩進(jìn)行垂直度檢測。依據(jù)檢測數(shù)據(jù)，結(jié)合規(guī)范要求采用有限元計算分析方法，對橋墩承載能力和抗裂性能進(jìn)行了評估分析。結(jié)果表明，對于高6.274 m 的圓柱形墩身立柱，在垂直度4.96‰時，墩身截面強(qiáng)度和抗裂能力仍能滿足設(shè)計要求，且承載力仍有較大富余。偏位后的橋墩仍能滿足正常使用要求。