預應力混凝土箱梁橋橋墩位移事故機理分析

王成平，楊彪，李軒

(1.西安職業技術學院建筑工程系，陜西 西安 710077； 2.西安建筑科技大學材料與礦資學院，陜西 西安 710055； 3.陜西通宇公路研究所有限公司，陜西 西安 710000)

預應力混凝土箱梁橋橋墩位移事故機理分析

王成平1，楊彪2，李軒3

(1.西安職業技術學院建筑工程系，陜西 西安 710077； 2.西安建筑科技大學材料與礦資學院，陜西 西安 710055； 3.陜西通宇公路研究所有限公司，陜西 西安 710000)

針對橋墩位移事故致因的復雜性及分析過程的不確定性，以某預應力混凝土箱梁橋橋墩因上游側的新填土造成堆載作用導致土體側向位移影響樁基受力的位移事故項目為研究對象，通過現場檢測、監測及理論分析了與數值模擬相結合的綜合分析方法，模擬并分析橋墩位移事故的致因，梳理病害產生的內在機理。結合現場實際情況，以分級處理為處置原則，采用樁基頂推、墩頂牽引、設抗滑樁、平衡堆載等組合措施進行糾偏處理并對病害進行整治，使橋墩偏位回歸至允許范圍內，缺陷得到修復。在糾偏處理過程中對橋墩、抗滑樁和錨桿等進行動態監控，結果表明，各項位移指標符合要求，事故分析過程準確，所采取的方案有效合理，處置效果良好。該研究為同類事故事后調查及病害成因分析、糾偏處置提供了參考。

位移事故；數值模擬；病害成因；糾偏治理

由于我國城市建設的高速發展，大量施工垃圾、填土被傾瀉到沿線的橋梁兩側，在不良地質條件的橋梁區域，隨著時間的推移，橋墩在堆土荷載作用下發生沉降的同時亦可能產生較大的側向變形[1]，極易導致橋墩樁基偏位，引起鄰近樁基礎發生位移、破壞以致失穩。此類堆土導致橋墩樁基偏位的事故時有發生，如某互通區跨線橋[2]、某區域長江大橋引橋[3]等。橋墩偏位會導致橋體結構承載能力降低，威脅橋梁運營安全。

目前，堆載作用下土體側向位移對鄰近樁基受力的影響分析方法主要包括理論分析法、數值模擬法和現場實測法等。理論分析法中，最具代表的屬土壓力法和土位移法[4-5]，其在機理上能更好地反映被動樁-土的相互作用，但由于自由土體位移場的確定較為困難，其工程應用受到制約。而在數值模擬及現場監測方面，針對橋墩事故的研究，馮忠居等[1]以某橋梁墩臺周圍堆載引起橋梁結構偏斜的工程為背景，通過現場實測的方法，布設測點，跟蹤觀測堆載引起橋梁墩臺與基礎的偏移性狀，并采用預應力錨索等處治技術進行加固和糾偏。張浩等[3]以某跨線橋墩柱偏移事故工程實例為背景，基于場區地基軟土性狀分析，通過現場實測的方法，分析偏移墩柱的原因，并提出處治措施。鄧友生等[6]以某陡坡橋墩為研究對象，通過室內試驗模型結合有限元分析方法研究不同方向的荷載作用導致墩頂位移的變化。

綜上所述，因堆載作用下土體側向位移對鄰近建(構)筑物、樁基的變形影響理論研究較豐富，針對位移事故后的原因分析研究多集中在現場監測和理論分析方面，通過數值模擬結合現場實測等綜合分析不同橋梁形式的結構病害成因機理及事故原因的研究尚不豐富。由于導致橋梁位移事故與不同結構形式橋梁病害原因具有一定的不確定性，與普通的橋梁結構病害檢測分析相比，對預應力混凝土斜腹板箱梁橋的橋墩位移事故及病害成因更難直接準確地進行評估。在位移及病害事故發生后，針對結構的損害特點和受損構件在結構中的受力特性，通過對橋梁進行檢查、檢測及數值模擬分析，找出事故原因，是保證橋梁運營安全的基本要求，亦是保證事故有效處理措施的前提。鑒于此，本文以某預應力混凝土箱梁橋為例，采用理論分析、現場實測與數值模擬相結合的方法對橋墩位移事故原因進行分析，并提出加固措施，為同類事故處理提供參考。

1 工程概況

某大橋建于2000年，大橋全長為246 m，上部結構為后張預應力混凝土斜腹板箱梁，下部結構為雙柱式橋墩，樁基采用鉆孔灌注樁。

1.1 事故經過

圖1 結構現狀Fig.1 Current structure

由于該市工業園區正在從該橋上游向下游推進式填溝造地，致使大量填土被傾倒在大橋所跨越的深溝中，導致部分橋墩被土掩埋達7 m以上。4#蓋梁向下游嚴重偏移，且部分橋墩蓋梁、墩柱和橫系梁出現明顯開裂現象。對該橋進行特殊檢查，現場如圖1所示。

1.2 初步調查結果

下部結構采用墩徑150 cm雙柱式橋墩，樁柱式橋臺，工字型承臺，每個墩柱下設兩根樁基，基礎為鉆孔灌注樁，樁徑120 cm。

1.2.1 現場檢查、檢測結果

上部結構未發現明顯病害，經檢測未發現上部結構軸線偏移。下部結構主要病害為裂縫、偏移。4#墩頂10個支座均出現向上游嚴重傾斜、開裂等現象，其余支座良好。實測混凝土強度為C25，符合設計要求；實測鋼筋性能符合HRB335鋼筋的要求，符合設計；結構承載能力驗算時，采用實測值。

1.2.2 編號規則

以0#橋臺的前進方向右側為上游側，左側為下游。依此對橫系梁、承臺和蓋梁進行編號，上游墩柱為N1#，下游墩柱為N2#。

2 數值模擬驗算及結果分析

2.1 數值模擬驗算說明

大橋3#、4#以及5#墩均向下游方向發生了位移，初步懷疑是上游側的新填土造成的。針對發現的病害，采用MIDAS FEA對橋墩在自重恒載、上部荷載、土壓力及膨脹土的膨脹力作用下的非線性靜力進行了分析。

2.1.1 材料取值

(1)混凝土材料取值：采用C25混凝土，按非彈性材料進行模擬，C25混凝土的彈性模量、泊松比、線膨脹系數和容重等材料特性按JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[7]進行取值。C25混凝土材料特性見表1。C25混凝土的受壓應力-應變曲線及受拉應力-應變曲線按GB 50010—2010, 混凝土結構設計規范(2015年局部修訂版)[8]進行計算。

(2)鋼筋材料取值：鋼筋采用HRB335鋼筋，按彈性材料進行模擬，鋼筋的彈性模量、線膨脹系數、容重等材料特性按JTG D62—2004[7]進行取值。鋼筋材料特性見表1。

表1 混凝土、鋼筋材料特性

2.1.2 上部箱梁支反力荷載

計算上部箱梁支反力時考慮了箱梁自重、護欄、現澆層及橋面鋪裝。經計算得到一個邊梁中墩支座的支反力為1 065.35 kN，一個中梁中墩支座的支反力為1 013.25 kN。

2.1.3 樁的假想固結點的計算

(1)

式中，m取值為20 000 kN/m4；b為樁的計算寬度，取值1.98 m；E為樁的抗彎剛度。最后計算可得X為2.7 m。橋墩各部位土壓力計算寬度取計算公式[n(D+1)-1]/n，(墩柱1.5 m、承臺5.5 m、樁基1.7 m)。

2.1.4 土對橋墩的水平作用力

考慮下游側新填土為虛土，上游側新填土的密實度遠遠大于下游側新填土的密實度，假定土水平作用力只包括土壓力和膨脹力。

(1)水平土壓力：每根樁、柱及承臺的土壓力計算寬度根據JTG D60—2015公路橋涵設計通用規范[9]中4.2.3條進行計算。

根據JTG D30—2015公路路基設計規范[10]可查得本地區的膨脹土的重力密度取為24.1 kN/m3。填土高度根據現場取得，根據JTG D30—2015計算出3#、4#以及5#橋墩所受水平主動土壓力F0，設線性荷載q1、q2(kN/m)如圖2所示。

根據公式：

(2)

(3)

式中，F0為根據JTG D30—2015[10]計算出土的主動土壓力,kN；b為土的主動土壓力的作用點的位置,m；a+b為新填土覆蓋的高度,m。

最后可分別計算出3#、4#和5#墩的q1和q2，其位置及大小見圖3。

圖2 荷載分布Fig.2 Load distribution

圖3 橋墩所受水平土位置及大小Fig.3 Position and size of horizontal soil in the pier

(2)膨脹土膨脹力：根據JTG D30—2015[11]可查得該地區的膨脹土的自由膨脹率為60%，經計算得膨脹力為30 kPa。

2.2 計算結果及分析

2.2.1 位移計算結果及分析

經計算，4#墩柱位移最大值達209.3 mm，承臺最大位移值達209.3 mm，樁基位移最大值達209.3 mm，3#墩的墩柱、承臺、樁基最大位移值亦達到64.1 mm；5#墩的墩柱、承臺、樁基最大位移值亦達到41.1 mm，與實測值相吻合，最大位移量計算結果及實測結果見表3。

表3 各部位最大位移

位移計算結果如圖4所示。

圖4 位移計算結果Fig.4 Calculation results of displacement

2.2.2 混凝土最大拉應力計算結果及分析

計算結果顯示，3#～5#墩的蓋梁、墩柱、系梁、承臺和樁基等位置出現最大主拉應力超過混凝土抗拉強度標準值，此區域易導致混凝土開裂，具體部位如下。橋墩各部位拉應力計算結果見圖5，最大拉應力見表4。

(1)3#墩。①上游側蓋梁的上緣以及下游側蓋梁的下緣;②承臺以上5.6 m范圍內的墩柱下游側，橋墩接系梁下游側墩的下游側，墩頂接蓋梁處的上游側;③系梁上游側的上表面以及下游側下表面，以及承臺部分位置;④承臺以下4 m范圍內樁基下游側。

(2)4#墩。①上游側蓋梁的上緣以及下游側蓋梁的下緣;②承臺以上6.3 m范圍內的墩柱下游側，橋墩接系梁下游側墩的下游側，墩頂接蓋梁處的上游側；③系梁上游側的上表面以及下游側下表面，以及承臺部分位置；④承臺以下2 ～ 4 m范圍內樁基的下游側。

表4 橋墩各部位最大拉應力 單位：MPa

圖5 拉應力計算結果(最大拉應力)Fig.5 Calculation results of tensile stress (maximum tensile stress)

(3)5#墩。①上游側蓋梁的上緣以及下游側蓋梁的下緣;②承臺以上5.4 m范圍內的墩柱下游側，橋墩接系梁下游側墩的下游側，墩頂接蓋梁處的上游側;③系梁上游側的上表面以及下游側下表面，以及承臺部分位置;④承臺以下4 m范圍內樁基的下游側。

2.2.3 混凝土最大壓應力計算結果及分析

計算結果顯示3#～5#墩的墩柱、系梁樁基位置出現混凝土的計算壓應力均超過了抗壓標準值的問題點，導致混凝土被壓碎，具體部位如下。橋墩各部位壓應力計算結果如圖6所示，各部位最大壓應力見表5。

(1)3#墩。①承臺以上1 ～ 3.5 m范圍內墩柱上游側，墩頂接蓋梁下游側;②系梁上游側的下表面以及下游側上表面；③承臺以下2.5 m范圍內樁基的上游側。

(2)4#墩。①承臺以上3.5 m范圍內的墩柱上游側，墩頂接蓋梁的下游側；②系梁上游側的下表面以及下游側上表面；③承臺以下2 ～ 3 m處樁基的上游側。

(3)5#墩。①墩頂接蓋梁的下游側；②系梁上游側的下表面以及下游側上表面；③承臺以下2 m范圍內樁基的上游側。

表5 橋墩各部位最大壓應力 單位：MPa

圖6 壓應力計算結果(最大壓應力)Fig.6 Calculation result of compressive stress (maximum pressure stress)

2.2.4 鋼筋應力計算結果及分析

(1)3#墩承臺以上3 m范圍內的墩柱下游側、承臺以下2.5 m范圍內的樁基的下游側，以及系梁上游側的上面表面和下游側下表面的鋼筋，經計算后發現，鋼筋被屈服。

(2)4#墩承臺以上4 m范圍內的墩柱下游側、承臺以下3 m范圍內的樁基的下游側，以及系梁上游側的上面表面和下游側下表面的鋼筋，經計算后發現，鋼筋被屈服。

(3)5#墩承臺以上3 m范圍內的墩柱上游側，承臺以下到2.5 m處樁基的上游側，以及系梁上游側的上面表面和下游側下表面的鋼筋，經計算發現，鋼筋被屈服，如圖7所示。

圖7 鋼筋應力計算結果Fig.7 Calculation results of steel bar stress

3 糾偏處治措施

Tavenas等[11-12]根據國外相關橋墩位移項目的調查統計結果，針對實際工程項目提出以墩頂支座偏移50 mm為界分級處理的原則，水平偏移大于50 mm時，可引起上部結構的損壞。當水平偏移小于等于50 mm 時，由于樁身最大彎矩相對較小，樁身完好。

3.1 偏移大于50 mm的處理措施

本項目在借鑒分級處理原理的基礎上，結合本項目實際場地狀況，考慮到較大附加堆載產生的樁側負摩阻力的影響，對偏移量大于50 mm 的4#墩柱(209.3 mm)、3#墩(64.1 mm)采用樁基頂推、墩頂牽引、抗滑樁這三項技術手段的組合方案進行治理。樁基頂推聯合墩頂牽引的技術措施，如圖8所示。

(1)對鄰近橋墩變形的部位的進行第一次、第二次局部卸載，為了使橋墩樁基回位擁有足夠的空間，待第二次卸載完畢后，在橋墩鄰近堆土變形影響處設置消能孔。

圖8 樁基頂推、抗滑樁、墩頂牽引方案示意圖Fig.8 Illustration of pile foundation pushing, anti-slide pile, pier top traction scheme

(2)待消能孔完工后進行第三次卸載，完工后在橋墩偏移方向一側設置兩排灌注樁，并在樁頂設置千斤頂。由于該橋為既有結構，在糾偏復位過程中墩頂支座會產生摩阻力，此時應使用頂推配合，故在墩頂設置牽引機牽引樁基逐步回位。

(3)為防止堆土二次侵蝕已回位的樁基，造成樁基的二次位移破壞，且為方便第四次卸載，在靠近消能孔一側(堆土運動方向)設置兩排抗滑樁，并在抗滑樁樁頂設置錨索進行牽引。

(4)進行第四次卸載，堆土導致的樁基位移及環形裂縫等病害需在此次卸載后進行加固修復。針對環形裂縫及破損較輕的部分采用注射高壓砂漿封閉的措施配合碳纖維布進行治理，針對較為嚴重的環形裂縫及缺陷，采用注射高壓砂漿封閉配合環形鋼箍的加固修復措施。

(5)平衡堆載保證樁基穩定。待橋墩各部位的病害加固修復后，將第四次卸載區域的一側及另一側進行二次平衡堆載，進而保證橋墩兩側的土體壓力均衡，避免受損部位的二次破壞、位移等事故發生。

3.2 偏移小于等于50 mm的處理措施

5#墩(41.1 mm)偏移位移小于50 mm，盡管其偏移基樁樁身受力仍滿足承載力要求，但為消除安全隱患，需采用一定的加固糾偏措施，本項目結合按分級處理的原則，采用平衡堆載和樁基頂推聯合墩頂牽引的處治措施，通過平衡橋墩兩側堆載來防止墩柱進一步偏移的發生，即取3.1方案中第1、2、5三步進行糾偏處理，取消抗滑樁及錨桿設計，第4步保留對原結構損傷的處理，重點在平衡堆載施工。

3.3 糾偏處理過程監測及分析

在橋墩上設置位移監測點24個，后續在抗滑樁上安裝了6支鋼筋計，18只土壓力盒，在抗滑樁旁邊鉆了6個測斜孔，并在錨索上安裝了兩支測力計進行錨索張拉力監測。采用全站儀組合數字測斜儀進行監測[13-15]。

(1)糾偏后橋墩支座、墩體監測及結果分析：通過橋墩支座、墩體位移-時間關系曲線(圖9)可知，隨著時間的推移，其位移變化恢復到原基準位置，且在完工兩個月后基本處于穩定狀態，取得預期效果，位移量如圖10所示；其中，橋墩支座、墩體位移量監測結果與大橋原設計值的差異最大值為12 mm，滿足要求。

圖9 橋墩支座、墩體位移-時間關系Fig.9 Relationship among pier-beam support, pier displacement-time

圖10 橋墩支座、墩體位移量監測結果 Fig.10 Monitoring results of pier-beam support, pier displacement

(2)抗滑樁變形監測及結果分析：通過抗滑樁應力-時間關系曲線可知，隨著時間的推移，其應力和溫度在施工完成兩個月后基本處于穩定狀態，取得了擋護的預期效果。

(3)錨索預應力監測及結果分析：經數據分析可知，隨著時間的推移應力趨于穩定，說明土體滑坡體蠕變現象得到了控制，土體趨于穩定，達到了設計初期的預期效果。

4 結論

(1)上游側填土對橋墩所產生的單向土壓力是導致下部結構出現的各種病害的主要原因。經現場檢測及下部結構數值模擬結果綜合分析，3#、4#和5#橋墩發生的位移量與現場實際測結果基本一致，且混凝土開裂位置與現場調查位置基本吻合。

(2)結合現場檢測、監測與數值模擬相對比的方法，準確還原了下部結構發生位移事故的致因及病害機理。把土壓力按實際位置和高度作用在橋墩上后，經計算橋墩發生了位移，3#、4#和5#墩發生的最大位移分別為64.1 mm、209.3 mm和41.1 mm；得出3#、4#和5#墩最大拉應力和最大壓應力均超過混凝土的標準值，直接導致混凝土被拉裂和壓碎，3#、4#和5#墩部分位置的鋼筋被屈服。

(3)以分級處理為處置原則，提出以樁基頂推、墩頂牽引和設抗滑樁等組合措施進行糾偏處理的方法，使橋墩偏位回歸允許范圍內，病害缺陷得到修復。在糾偏處理過程中各位移監控指標符合要求，表明事故分析過程準確，方案有效合理，為同類事故處置提供參考。

另外，建議有關部門加強管理，定期檢查橋梁兩側堆土問題，避免類似事件發生。

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Mechanism analysis of bridge pier displacement accident of a prestressed concrete box girder bridge

WANG Cheng-ping1, YANG Biao2,LI Xuan3

(1.Department of Architectural Engineering, Xi′an Vocational and Technical College, Xi′an 710077, China; 2.School of Materials and Mineral Resources, Xi′an University of Architecture & Technology, Xi′an 710055, China; 3. Shaanxi Tongyu Research Institute of Highway Co. Ltd., Xi′an 710000, China)

∶ For the complexity and uncertainty of analysis process of pier displacement accident, we simulate and analyze the cause of pier displacement accident and its internal mechanism with the impact of surcharges action of recent fill caused lateral displacement of soil pile of a prestressed concrete box girder bridge pier on the force of pile foundation as a subject and the combination of on-site inspection, comprehensive monitoring and theoretical analysis and numerical simulation. We employ pile top push, pier top traction, anti-slide pile, balance load to conduct rectification and accident management based on hierarchical processing principle and actual situation. Pier deviation therefore returns to the allowable range, and the accident is avoided. We also dynamically monitor the pier, anti-slide pile and anchor rod in the rectification process. Results show that all displacement indicators satisfy the requirements, so the accident analysis is accurate, and the scheme is reasonable and effective and has better disposition effect. The method provides reference for postsurvey of similar accidents, analysis of accident cause and rectification process.

∶displacement accident; numerical simulation; causes of disease; rectifying deviation treatment

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.019

2016-06-10

國家自然科學基金( 51178386) ；住建部科技項目(2015-R3-003)

王成平(1980—)，男，講師，碩士，研究方向為橋梁檢測、建筑工程施工和造價。E-mail: wwccpp1001@sohu.com

TU473

A

1002-4026(2016)05-117-09