基于有限元分析的某跨閩江公路互通立交橋梁樁基加固設(shè)計

基于有限元分析的某跨閩江公路互通立交橋梁樁基加固設(shè)計

由于橋梁設(shè)計、施工或使用的原因、自然和人為等因素的影響，橋梁基礎(chǔ)建設(shè)或施工后多年會出現(xiàn)不同程度的損壞和缺陷。為了避免拆除重建,減少投資,充分發(fā)揮現(xiàn)有公路基本設(shè)施的經(jīng)濟效益和社會效益,對病害橋梁進行改造或者加固就顯得尤為必要。現(xiàn)階段,根據(jù)不同情況對基礎(chǔ)采取的加固辦法有:擴大基礎(chǔ)、壓注灰漿或硅化土層、加深基礎(chǔ)、旋噴樁以及基礎(chǔ)托換加固等。其中基礎(chǔ)托換技術(shù)在許多城市的擴建和改造過程中,特別是修建地鐵工程中,大量采用托換技術(shù),積累了較豐富的經(jīng)驗。過去公路橋梁主要是采用抬樁加固的方法,抬樁加固中如有采用對新樁基進行預(yù)壓就是基礎(chǔ)托換技術(shù),如未進行新樁基預(yù)壓,抬樁加固就是屬于新舊樁基一個漸變置換的方法。抬樁加固一般采用橫向加樁或者縱向抬樁,但是對橫向加樁和縱向抬樁的適用情況、如何設(shè)置抬樁樁基,目前較少研究。本文以公路上某匝道橋為例,利用有限元程序,研究了采用橫向抬樁、縱向抬樁的受力特性,并為經(jīng)后橋梁樁基加固設(shè)計提供借鑒的經(jīng)驗。1互通立交橋橋橋樁基檢測方案某橫跨閩江公路橋梁建于2001年。橋梁引橋和互通主線橋均為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁,預(yù)應(yīng)力混凝土準連續(xù)T梁的跨徑以25m為主,主橋為雙幅,橋梁引橋單幅橋?qū)挒?2.25m,互通主線橋單幅橋?qū)挒樽儗?5.75~23m?；ネ⒔粯騼勺训罉蚓捎矛F(xiàn)澆箱梁,橋?qū)挒?2m,跨徑采用以20m為主。下部構(gòu)造均采用柱式墩,肋板臺,鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。由于上游水電站建成后,導致上游來沙量銳減,且近年非法采沙、抽沙等情況更加嚴重,再者原有游蕩性河道被壓縮等原因?qū)е麓髽蚝哟矘烁呙黠@下降。經(jīng)過有關(guān)單位外觀檢測調(diào)查及樁基混凝土強度檢測后,發(fā)現(xiàn)大橋位于河道中的橋墩樁基外露并受到?jīng)_刷等破壞,其中匝道橋原有樁徑采用Φ1.40m和Φ1.50m的樁、互通主線橋及主橋引橋采用Φ1.50、Φ1.80m的樁基。原有鉆孔灌注摩擦樁基礎(chǔ)穿過較厚的中細砂和中粗砂層而將樁底置于較厚的卵石夾土層,見(圖1)。大橋地震設(shè)防烈度按Ⅶ度設(shè)防。2樁身受水流沖刷前后出現(xiàn)嚴重損害對橋梁進行檢測發(fā)現(xiàn),橋梁樁基沖刷狀況嚴重見(圖2、圖3)。主要存在的以下病害:(1)由于河床受水流沖刷嚴重,樁身嚴重裸露在河床之上,裸露的高度最高達到了14m左右;(2)裸露在河床上的樁身,由于受水流沖刷作用,樁身基本上出現(xiàn)了砂石裸露現(xiàn)象;(3)某些樁基的樁身混凝土出現(xiàn)了破損掉塊現(xiàn)象;(4)樁身由于受水流沖刷作用,造成了許多樁身鋼筋裸露在大氣中或者水中,而且發(fā)生了嚴重的銹蝕現(xiàn)象;(5)樁身受水流沖刷作用,樁身某些部位出現(xiàn)了沖刷掏空現(xiàn)象,掏空的洞深最深達到了25cm左右;(6)樁身受水流沖刷作用,出現(xiàn)了凹凸不平現(xiàn)象;(7)由于受水流沖刷作用,有些樁基出現(xiàn)了縮徑現(xiàn)象,現(xiàn)場實測的樁身周長比原設(shè)計周長最多小了0.28m;3基于基礎(chǔ)磨損后樁的單鏈負荷和墩柱強度的計算3.1對樁側(cè)摩摩阻力的分析原橋柱式橋墩采用摩擦樁基礎(chǔ),取現(xiàn)有沖刷的地面線(現(xiàn)有地面線最深標高已超過原設(shè)計最大沖刷標高),根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTGD63-2007)計算相應(yīng)的橋梁樁長。計算中通過對原設(shè)計地勘資料及規(guī)范中對卵石夾土樁側(cè)摩阻力的分析,樁底卵石夾土的樁側(cè)摩阻取值分別采用按地質(zhì)報告提供的數(shù)值120kPa(工況一)和按規(guī)范提供的參考值數(shù)值140kPa。(工況二)分別計算出相應(yīng)的樁長,其余計算參數(shù)均參考地質(zhì)報告,計算結(jié)果見下(表1):由此上述表格可知,按目前的樁基埋置深度,最不利的墩樁基單樁軸向受壓承載力容許值已不滿足。根據(jù)分析計算,該橋基礎(chǔ)承載能力明顯下降,應(yīng)對該橋進行相應(yīng)的基礎(chǔ)加固。3.2匝道橋結(jié)構(gòu)強度墩柱計算的水平力包括土壓力、溫度力、制動力和地震力,水平力的計算以聯(lián)為單元進行。升溫、降溫和制動力按縱向剛度理論進行計算,橋墩地震力按地震反應(yīng)譜進行計算。橋墩強度計算最關(guān)鍵的一個因素是計算長度的取值,中交公路規(guī)劃設(shè)計院設(shè)計大師袁倫一在文獻6中對各國規(guī)范計算長度的取值進行了論述,上述加固方案墩柱的計算長度,經(jīng)過與國外規(guī)范(見表2)以及福建省交通規(guī)劃院設(shè)計指導書的對比,滑動支座按2倍的實際長度考慮,橡膠支座按1.3倍的實際長度考慮,固定支座按0.7倍的實際長度考慮。匝道橋的支座布置情況為在14號、15號、21號、22號采用四氟橡膠滑板支座,18號墩圓曲線內(nèi)側(cè)設(shè)置固定球型支座,剩下的其余橋墩支座均為單向滑動的球型支座。經(jīng)計算,主線橋經(jīng)計算墩柱配筋、樁基所需的配筋為0.5%,主線橋D140柱的實際配筋率為0.96%,D150cm和D180cm樁基實際配筋率分別為0.836%和0.581%,強度滿足要求。匝道橋固定支座和連續(xù)滑動D140cm的墩柱強度和D150cm的樁基強度已不滿足規(guī)范要求,其他墩柱接近設(shè)計值,匝道橋原有墩柱和樁基的配筋率分別為0.96%和0.836%。根據(jù)分析計算,匝道橋箱梁結(jié)構(gòu)的墩柱強度已經(jīng)接近或者超過設(shè)計限制,應(yīng)對相應(yīng)的橋墩進行加固。通過以上分析得出:橋梁的支座布置對下部結(jié)構(gòu)影響較大,有時為減小橋梁伸縮縫對行車的影響,設(shè)置較長的聯(lián)長,故在臨近交接墩的橋墩設(shè)置連續(xù)滑板支座,但是注意加強相應(yīng)的橋墩。4基礎(chǔ)加固方案的研究4.1案例總結(jié)通過上文對匝道橋計算分析,橋梁樁基礎(chǔ)沖刷出露嚴重,加固維修擬采用抬樁加固提供其基礎(chǔ)承載力和橋墩縱向剛度。4.1.1橋樁的新建接枝新樁位于原樁橫橋向兩側(cè),兩側(cè)各加一根樁,增設(shè)承臺連接原橋樁間系梁、樁基與新設(shè)樁基,承臺為一字型。上部荷載通過承臺傳遞至新加樁基,如(圖4)所示。4.1.2社會主義抗洪樹不同結(jié)構(gòu)的樁基加固方案新樁位于原樁順橋向兩側(cè),每根舊樁縱向兩側(cè)各加一根樁,每個普通墩增加四根新樁,承臺為工字型,用承臺將每根原有樁基與兩根新樁及原樁,上部荷載通過承臺傳遞至新加樁基,如(圖5)所示。由于加固項目橋梁主線橋梁均為準連續(xù)T梁,匝道橋為預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu),根據(jù)梁式橋梁受力特點,在原有樁基礎(chǔ)沖刷后樁基外露,基礎(chǔ)剛度削弱,剛度減弱后對橋梁墩柱強度、樁基承臺力、高樁承臺的樁基強度造成不利影響。如果采用橫向抬樁,能夠?qū)痘A(chǔ)進行加強,解決樁基承載能力的問題,但是對受水平力較大的橋墩不能解決橋墩縱橋向剛度、橋墩和樁基的穩(wěn)定問題,而且采用橫向抬樁由于傳力的不直接,承臺高度計算值較大,所需樁徑較縱向抬樁大。如果采用縱向抬樁,通過采用四根樁加強原樁承載能力,能夠解決橋梁基礎(chǔ)承載能力問題,也能加強承受水平力較大橋墩的縱向剛度,能較好的解決橋墩和樁基的穩(wěn)定問題,新增的承臺厚度和樁徑都較橫向抬樁小,但是此方案存在阻水,應(yīng)進行加固后的行洪論證。最后可以結(jié)合橫向和縱向抬樁,對橋墩剛度小、承受水平力大、橋墩計算長度較大的橋墩采取縱向抬樁,對橋墩剛度富裕、承受水平力小、橋墩計算長度也小的橋墩采取橫向抬樁,這樣可以綜合兩種方式的優(yōu)點,但是施工繁瑣、樁基種類多。通過以上論述可結(jié)合大橋的實際情況,合理選用縱向抬樁加固的方法。4.1.3確定要模型1.3和2mm的墩頂位移以匝道橋一聯(lián)(2×20+4×22+2×20m)現(xiàn)澆箱梁為例,以現(xiàn)有結(jié)構(gòu)采用四種不同的下部基礎(chǔ)情況建立模型,模型一按現(xiàn)有下部基礎(chǔ)和現(xiàn)有河床地面線建立,模型二按橫向抬樁和沖刷總深度20m建立,模型三按縱向抬樁和沖刷總深度20m建立,模型四按橫向抬樁和縱向抬樁相結(jié)合,沖刷總深度為20m建立。根據(jù)上述四種模型得到工況結(jié)果分別見表3(模型一)和表4(模型二)、表5(模型三)、表6(模型四)中。其中地震影響力是偶然荷載,與活載不組合。地震力的計算按抗震規(guī)范進行,橋墩采用地震反應(yīng)譜進行計算,大橋地震設(shè)防烈度按Ⅶ度設(shè)防。從(表3)計算結(jié)果可看出:目前的營運的情況下,18號固定支座橋墩承受較大的制動力和地震力,墩頂位移和樁頂位移均較大。原橋涵基礎(chǔ)規(guī)范規(guī)定墩頂位移對于等跨簡支梁剛性基礎(chǔ)不應(yīng)超過0.5,式中L為此墩相鄰最小跨徑,單位為m,小于25m按25m取值,求得的單位為厘米,如果按此條進行設(shè)計,一般認為是偏于保守的,按上述公式計算出18號的墩頂位移限值為23.5mm。在新橋涵基礎(chǔ)規(guī)范中此條文已經(jīng)刪除。對于樁頂位移,基礎(chǔ)規(guī)范規(guī)定的也較少,一般認為,如果計算出的樁頂位移大于6mm,那么需要對m(地基的比例系數(shù))值進行折減,經(jīng)過折減后計算出的樁頂位移不應(yīng)大于10mm,因為大于10mm后,土體與樁基礎(chǔ)的作用進入非線性狀態(tài),m法的計算誤差將會比較大。模型一經(jīng)過m值折減后樁頂位移除了18號墩樁頂位移達到了19.6mm,已經(jīng)超過了10mm,其他橋墩均在6mm~10mm之間。模型一的樁基配筋率接近或者超過設(shè)計配筋率。從(表4)的計算結(jié)果可以看出:采用橫向抬樁,總沖刷深度為20米的情況下,橋墩的水平力有所增加,但是所有橋墩的墩頂位移均較模型一減少了約27%。樁頂最大位移除了18號橋墩,其余四個橋墩的均未超過6mm。經(jīng)過橫向抬樁后的18號橋墩的樁頂位移雖然較模型一減小了約29%,但橫向抬樁的樁頂位移達到14mm,仍然大于10mm。18號墩的樁基配筋率高達1.9%。從(表5)的計算結(jié)果可以看出:采用縱向抬樁,總沖刷深度為20米的情況下,橋墩的水平力有進一步增加,但所有橋墩的墩頂位移分別較模型一和模型二減少了約74%和約62%。樁頂最大位移所有橋墩的均未超過6mm。經(jīng)過縱向抬樁后的最大的18號樁頂位移分別較模型一和模型二減少約77%和69%。采用縱向抬樁經(jīng)沖刷后,橋墩基礎(chǔ)與土地仍未進入非線性狀態(tài)。樁基配筋率約為0.5%。從(表6)的計算結(jié)果可以看出:采用縱向抬樁和橫向抬樁相結(jié)合的方案,對橋墩受力較不利的邊墩和固定墩采用縱向抬樁,其他橋墩采用橫向抬樁,總沖刷深度為20m的情況下,采用橫向抬樁的16、20號橋墩墩頂位移較模型一增加約27%,17、19號橋墩墩頂位移較模型一增加37%。18號橋墩的墩頂位移均較模型一減少了約74%。所有橋墩樁頂最大位移均未超過6mm。樁基配筋率范圍較大,配筋為0.5%~0.8%。采用縱向抬樁和橫向抬樁相互組合的方案,雖然橫向抬樁能減少一部分工作量,但是采用橫向抬樁的樁徑至少采用D180cm,而與縱向抬樁一般采用D140cm和D150cm的樁基相比,橫向抬樁會造成施工設(shè)備的增加,并且采用縱橫向抬樁相結(jié)合,樁基配筋范圍較大,導致樁基的種類的繁多。通過墩頂位移可以看出,由于采用橫向抬樁的縱向剛度較小,相應(yīng)的墩頂位移會偏大。5關(guān)于要提高橋墩樁基強度的觀點通過對上述匝道橋的加固分析,希望對類似沖刷橋梁基礎(chǔ)的維修加固設(shè)計有所幫助和借鑒意義。總結(jié)上述分析,在今后設(shè)計還應(yīng)注意以下幾點:(1)橋梁的支座布置對下部結(jié)構(gòu)影響較大,有時為減小橋梁伸縮縫對行車的影響,設(shè)置較長的聯(lián)長,故在臨近交接墩的橋墩設(shè)置連續(xù)滑板支座,但是相應(yīng)的橋墩應(yīng)加強,防止橋墩強度由于自然及人