地面堆載對既有橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響分析

地面堆載對既有橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響分析

1周邊規(guī)章堆載近年來，由于人為因素，橋梁周邊土壤的擾動，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的現(xiàn)象普遍存在。就橋梁結(jié)構(gòu)而言,在橋墩附近違章堆載,造成橋墩發(fā)生傾斜,進而傳遞至樁基礎(chǔ)和橋梁上部結(jié)構(gòu),影響橋梁結(jié)構(gòu)安全。表1中列舉了幾起近年來由于地面堆載導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)受損的事故。一旦出現(xiàn)此類險情,如何做好違章堆載造成的結(jié)構(gòu)受損的影響分析工作,為橋梁的加固處理提供可靠的依據(jù),顯得尤為重要。本文以某匝道橋為例,對地面堆載對結(jié)構(gòu)的影響進行分析,并提出對橋梁維修的建議。2橋梁結(jié)構(gòu)布置某匝道橋全長331.294m,由三聯(lián)等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁組成,橋梁中線位于R=180m的曲線上。橋梁跨徑組成為第一聯(lián)(5×29.7)m+第二聯(lián)(4×26)m+第三聯(lián)(2×26.5+25.794)m。橋梁墩柱為寶瓶形。墩柱底截面為矩形,尺寸為3.1m×1.2m,在墩柱頂部3.5m范圍,墩柱向橫橋向傾斜加寬,頂部全寬4.4m。墩基礎(chǔ)采用ue7881.2m鉆孔灌注樁,每個墩柱下設(shè)4根樁,樁長59.0m,樁底進入中砂層或圓礫層;承臺厚2.0m,平面尺寸為5.4m×5.4m。橋梁結(jié)構(gòu)布置示意見圖1。該匝道橋梁墩身及箱梁施工完成后經(jīng)該工程項目部自檢及建設(shè)單位驗收,主梁位置及墩身垂直度等檢驗項目均滿足規(guī)范要求。2012年10月5日,施工單位進行伸縮縫的安裝施工,發(fā)現(xiàn)9號伸縮縫寬度顯著增大。經(jīng)現(xiàn)場檢查察看,9號墩身旁堆放有大量土方(圖2),土方體積較大,高度最高達到7.5m,推斷險情主要是由于9號墩附近違章堆載引起的。為保障橋梁結(jié)構(gòu)安全,橋梁建設(shè)單位要求施工單位暫停后續(xù)施工,并委托專業(yè)檢測機構(gòu)對病害原因及安全隱患進行檢測分析。檢測分析的主要內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)變位監(jiān)測、結(jié)構(gòu)仿真計算、樁基檢測及結(jié)構(gòu)安全評估等4個方面。3堆載抗剪作用應(yīng)對橋梁結(jié)構(gòu)的此類險情,首先應(yīng)明確險情的發(fā)展變化是處于暫時穩(wěn)定還是持續(xù)惡化的狀態(tài)。通過對橋梁結(jié)構(gòu)的變位進行監(jiān)測,可以初步解決這個問題,為確定下一步的檢測內(nèi)容及方法定調(diào)?？紤]到堆載在9號墩附近,對第一聯(lián)的影響較小,橋梁結(jié)構(gòu)變位監(jiān)測主要包括:(1)在匝道橋第二、三聯(lián)橋面和橋墩墩身布置位移測點,測試梁體、墩身的變位情況;(2)對匝道橋第二、三聯(lián)各墩墩頂支座位移進行監(jiān)測;(3)對9號墩墩頂處伸縮縫縫寬進行監(jiān)測。在布置監(jiān)測點的同時,為保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全,施工單位對9號墩附近的堆載進行清除,10月6日晚22:00時施工單位將堆載土方高度卸載至3.0m,檢測人員對該工況的各監(jiān)測點的幾何坐標(biāo)進行了初測。10月7日凌晨6:00施工單位將堆載全部卸載完畢,檢測人員在7~10日對各監(jiān)測點進行了連續(xù)監(jiān)測,為盡量降低溫度對結(jié)構(gòu)變位的影響,監(jiān)測頻率定為每天早6:00和夜間22:00各監(jiān)測一次,并將監(jiān)測結(jié)果與橋梁驗收時的測量坐標(biāo)進行對比分析。通過為期5d的連續(xù)監(jiān)測,得出如下結(jié)論:(1)堆載對結(jié)構(gòu)變位影響區(qū)域主要為第二聯(lián)2~4跨及第三聯(lián)1,2跨,其中第二聯(lián)第4跨梁體變位最大,6日夜間初測時梁體變位為129mm,11日夜間終測時的梁體變位為114mm,梁體變位方向與堆載土壓力方向基本一致。(2)土堆卸載后梁體變位均有不同程度的回復(fù),回復(fù)值較大的為第二聯(lián)第4跨橋面位移測點,回復(fù)值為15mm,其他各測點均回復(fù)5~12mm。11日堆載卸載完成后,各監(jiān)測點測值基本穩(wěn)定。(3)8號、9號及10號墩墩頂發(fā)生明顯偏位,初測時墩頂偏位最大的為9號墩,偏移量為43mm,堆載清除后,9號墩墩頂偏位基本穩(wěn)定在36mm左右。其他各墩墩頂偏位均小于5mm。(4)9號墩支座位移較大,最大為133mm,其他支座位移相對較小,堆載卸載后,支座位移基本穩(wěn)定在124mm左右。9號墩墩頂伸縮縫初測時最大縫寬為212mm,堆載卸載后,縫寬基本穩(wěn)定在190mm左右,9號墩墩頂支座受損情況見圖3。(5)監(jiān)測期間,橋墩墩身沉降測點實測位移最大為3mm,且變化無規(guī)律,考慮到測量的自身誤差,推斷橋墩無明顯沉降變化。綜合以上監(jiān)測結(jié)果分析:堆載卸載后,橋墩墩身偏位較堆載卸載前略有回復(fù),且堆載卸載后,橋墩墩身偏位、支座位移及9號墩墩頂伸縮縫縫寬基本穩(wěn)定,表明堆載卸載后橋梁結(jié)構(gòu)暫時處于穩(wěn)定狀態(tài),可在施工暫停的情況下進行進一步的檢測工作。4影響地面沉積的分析4.1堆載土壓力荷載作用下的結(jié)構(gòu)位移地面堆載對橋梁結(jié)構(gòu)的影響,最直觀的反應(yīng)是使橋墩發(fā)生水平位移。為了驗證該橋的病害是否是由于堆載造成的,可通過計算堆載土壓力作用下橋墩的水平位移,并與實測位移進行對比分析。采用美國土工軟件FLAC3D進行結(jié)構(gòu)計算。根據(jù)墩柱結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)及巖土層分布情況,建立土體和結(jié)構(gòu)相互作用的三維有限差分模型,模擬被動樁的空間變形和受力狀態(tài)。模型包括墩柱、支座、承臺、樁基及堆載影響范圍內(nèi)的巖土層,并考慮上部結(jié)構(gòu)的恒載影響。地面堆載加載的方式通常有2種,一種是直接利用堆載的自重予以加載,另一種則是將堆土的重力等效為作用于路基表面處的壓力加載。該橋的計算采用第二種加載方式進行。有限差分計算結(jié)果表明,在堆載區(qū)范圍內(nèi)地基土產(chǎn)生較大的塑性變形,地面沉降并向堆載邊緣側(cè)向擠壓,迫使土體側(cè)向移動,并使橋墩的樁基礎(chǔ)受到地基土的橫向運動作用而發(fā)生側(cè)移和沉降,產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),橋墩也隨著扭轉(zhuǎn)、側(cè)移和沉降,圖4為9號墩的側(cè)移計算結(jié)果。由圖4可知,橋墩橫橋向的正向側(cè)移在墩底,約為20mm,由于發(fā)生扭轉(zhuǎn),墩頂發(fā)生負(fù)向側(cè)移,約為13mm,橫橋向墩身的相對側(cè)移為33mm,堆載高度卸載至3.0m時現(xiàn)場測量值為28mm;順橋向的正向側(cè)移也在墩底,約為24mm,負(fù)向側(cè)移在墩頂,約為21mm,順橋向墩身的相對側(cè)移約為45mm,堆載高度卸載至3.0m時現(xiàn)場實測值為33mm。FLAC3D軟件模擬堆載土壓力荷載作用下9號墩的結(jié)構(gòu)位移與實際觀測的橋梁結(jié)構(gòu)位移結(jié)果較為接近,說明堆載所造成土壓力是產(chǎn)生橋梁結(jié)構(gòu)位移的主要因素。實測值略小于計算值主要是因為堆載高度由7.5m卸載至3.0m時墩頂偏位略有回復(fù)引起的。4.2號墩樁基布置及位移在堆載土壓力影響下,橋梁結(jié)構(gòu)會受到較大的地基附加應(yīng)力作用,附加應(yīng)力的增加相應(yīng)增大橋梁樁基礎(chǔ)的受力。計算時選取受堆載影響最大的9號墩的4根樁基進行受力分析,分析采用美國土工軟件FLAC3D進行。根據(jù)樁基的受力特點,在樁基未發(fā)生受損破壞時,樁基與承臺按固結(jié)計算。在承臺單側(cè)施加一定水平力時,最大內(nèi)力發(fā)生在樁基與承臺連接處,當(dāng)彎矩達到一定值時,樁基與承臺連接處首先發(fā)生局部破壞。該橋的樁基受力分析主要為了推斷樁基與承臺處是否發(fā)生受力破損,因此樁基與承臺間按固結(jié)考慮。9號墩樁基布置示意見圖5,4根樁基位移見圖6。由圖6可知,9號墩的4根樁不僅產(chǎn)生了遠(yuǎn)離土堆的平移,還產(chǎn)生了沿樁身某點的旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致樁基頂部的水平位移比承臺上部的水平位移大,如9號墩承臺頂部順橋向計算位移為24mm,4根樁基順橋向位移為34~47mm。4根樁基中4號樁基受力最大,最大彎矩發(fā)生在樁基與承臺交接處,為480kN·m,該處截面允許彎矩為450MPa,推斷該處樁基可能發(fā)生局部破壞。4.3計算結(jié)果分析綜合考慮現(xiàn)場堆載情況、橋梁整體升降溫、溫度梯度、混凝土收縮徐變及預(yù)應(yīng)力張拉等因素,對匝道橋第二、第三聯(lián)的橋墩墩身和梁體的承載能力進行驗算。通過計算分析,第二、第三聯(lián)墩身及梁體承載能力滿足規(guī)范要求。綜合以上計算結(jié)果可知:(1)堆載土壓力是產(chǎn)生橋梁結(jié)構(gòu)位移的主要因素。(2)樁基頂部的水平位移比承臺上部的水平位移大,樁基最大彎矩發(fā)生在樁基與承臺交接處,且計算彎矩大于截面允許彎矩,該處可能發(fā)生局部破壞。(3)綜合考慮現(xiàn)場堆載情況、橋梁整體升降溫、溫度梯度、混凝土收縮徐變及預(yù)應(yīng)力張拉等因素,第二、第三聯(lián)墩身及梁體承載能力滿足規(guī)范要求。5樁體結(jié)構(gòu)完整分析根據(jù)樁基受力計算結(jié)果,樁基與承臺交接處受力最大,可能發(fā)生局部破壞。鑒于8號、9號及10號墩墩頂偏位較大,為了解地面堆載對橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響,需對其樁基礎(chǔ)進行檢測。樁基檢測主要采用雙速度法,即在樁身側(cè)面離樁頂不同距離處分別安裝2個加速度計,測試時,在樁頂附近某一位置錘擊樁身,可以得到2條速度曲線,通過對2個實測加速度信號的分析,可求出任意位置的上、下行波速度分量,判斷樁阻抗的變化以及樁底反射。該方法是對已進行承臺施工的樁基進行完整性檢測行之有效的方法。樁基檢測時對堆載影響較大的8號、9號及10號墩的12個樁基均進行了檢測。檢測結(jié)果表明10號墩的4根樁基質(zhì)量較好,為Ⅰ類樁,8號、9號墩樁基的8根樁基在2.0~2.5m范圍內(nèi)均出現(xiàn)了波速明顯偏低的特征,推斷該處樁基存在病害,扣除承臺厚度的2.0m,推斷樁基與承臺的結(jié)合面下方約0.5m范圍內(nèi)樁基存在缺陷。為驗證這一檢測結(jié)果,檢測人員對距離堆載最近的9-4號樁基進行了開挖,在距離樁基與承臺結(jié)合面約0.3m處發(fā)現(xiàn)1條橫向裂縫,裂縫長1.2m、寬14.0mm,深度達450mm,見圖7。通過查閱施工過程中的樁基檢測結(jié)果,8號、9號及10號墩的12個樁基均為Ⅰ類樁,綜合在地面堆載荷載作用下樁基的受力特點,推斷該裂縫是由于本次地面堆載引起的。綜合樁基受力計算結(jié)果及超聲波無損檢測結(jié)果,堆載對8號、9號墩的8根樁基影響較大,樁頂往下0.5m范圍內(nèi)樁基存在缺陷,樁基評定為Ⅲ類樁,為不合格樁,不可繼續(xù)使用;其他各墩墩頂偏位較小,對樁基影響較小,可繼續(xù)使用。6樁基與承臺交接處混凝土開裂綜合地面堆載對橋梁的影響分析,得出