某橋墩防護結構在堆載作用下的受力安全分析

張萬鵬，郝成英，陳林

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶市 400041；2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司)

1 前言

近年來，隨著中國基礎設施的不斷發展和完善，大量橋梁建設在城市和農村中。在既有橋梁運營過程中，后期實施工程將可能與橋梁相交，在既有橋下修建公路、建筑或公園等公共設施。橋下各類工程實施易產生對橋梁下部結構的堆載作用，將會對既有橋梁產生影響并對橋梁安全構成威脅，甚至引發橋梁安全事故。表1為幾起近年來由堆載作用而造成的橋梁安全事故。

表1 橋梁受損安全事故

針對上述橋梁安全事故，國內外學者對此進行了系列研究。宋寧等通過工程實例研究橋梁結構損傷發現橋側堆載會使橋墩和上部結構產生一系列變位和損傷；孫宗磊等通過對某既有橋梁下穿橋梁的建設工程提出新建橋梁的基礎對周圍土層產生的附加應力會引發既有橋梁的基礎發生沉降變形；黃清、張浩等從軟件分析和工程實例的角度驗證了堆載是引起墩柱偏移的主要原因；馮忠居等研究提出了當橋下堆載不可避免時，可采用減載、排水、支擋工程的防護措施保證橋梁結構的安全。堆載引起的橋梁墩柱偏移受堆載大小、與墩柱的距離、地基土質等多種因素影響，墩柱單側受到堆載作用可能發生橋梁下部結構的偏移及沉降。該文結合某大橋建成后的填筑工程及相應橋墩護筒結構防護措施，通過該填筑工程引起的堆載作用下護筒結構靜力分析及施工過程分析驗證該護筒防護結構的受力安全可靠性。

2 工程背景

圖1為某既有大橋立面圖，后期景觀填筑工程將在橋下進行標高229.5 m平場。各橋墩后期最大回填土高度為7.8～17.8 m。該大橋現狀樁頂覆土為0～3.7 m，橋墩為雙柱式橋墩，直徑為1.8 m。

3 護筒防護結構的構造

既有橋下進行高回填時，由于回填土堆載對橋墩的作用，將對橋梁結構產生不利影響。故相應防護措施為設計一種可將回填土與橋梁下部結構完全隔離開的橋墩護筒結構，從而避免橋墩樁基受到堆載的直接影響。當護筒沒有發生斷裂、傾倒或過大變形時，橋體完全不受堆載作用，從而實現保護橋梁結構不受堆載影響的目的。該護筒結構主要承受防護填土作用下的不均勻側向力影響，未考慮由于高填方荷載作用下的基礎可能下沉，故主要適用于端承樁或其他支承于巖質地基基礎形式的橋墩防護。其結構如圖2所示。

圖1 某大橋堆土填筑工程(單位：mm)

護筒設置在橋墩周圍，與橋墩保持一定的隔離空間。采用上小下大的階梯護筒構造形式，并考慮承載力采用擴大基礎，材料為鋼筋混凝土結構。在施工方面，護筒的澆筑可采用分層澆筑或一次性澆筑的方法；土體回填采用均勻分層回填并壓(夯)實，以減小土體回填時的不均勻影響。若設有墩間橫系梁，應同時設置護套結構，避免回填土直接作用在系梁上，如圖3所示，護套與系梁上下部空隙分別為30、10 cm。

4 堆載作用下護筒結構分析

填筑平場工程由于采用護筒防護結構，故填土完成后護筒環側所受土壓力相比通常單側堆載情況時基本對稱，明顯的不均衡側向土壓力主要發生在其填土及壓實過程中。通過護筒結構靜力分析和填筑施工過程分析來驗算堆載產生的附加土應力作用下護筒的可靠性及填土過程中的不均衡壓力影響。

圖2 護筒結構示意圖(單位：mm)

圖3 橋墩系梁防護結構立面圖(單位：cm)

4.1 單個護筒的結構靜力分析

填筑工程中以最大填筑土體高度6#橋墩處護筒的受力為最不利(此時填筑高度為17.8 m)，故僅對6#護筒進行結構驗算分析即可。

4.1.1 最不利分析荷載

分析荷載考慮為6#橋墩處的最不利填筑土體的附加土應力，護筒兩側考慮0.5 m填筑高差。此外，回填夯實過程的夯實機械自重和動應力的影響將會對護筒產生附加側壓力。碾壓機械按20 t小型靜力式夯實機械計算。由于該橋所處地區降雨較多，故考慮降雨情況影響。降雨情況下土體內摩擦角依據經驗取正常情況下內摩擦角的90%，計算重度取浮重度。

4.1.2 分析參數

材料的各項參數見表2。

4.1.3 計算圖式

在最不利工況下，即護筒在兩側填筑土體壓力下，將護筒假定為一懸臂樁受力狀況，由于采用填土法故護筒右側填土比左側高0.5 m，護筒的計算圖示見圖4。

表2 材料參數

圖4 護筒計算圖式(單位：m)

4.1.4 抗彎強度驗算及水平向裂縫寬度驗算

抗彎強度及水平裂縫驗算時，護筒兩側土壓力均考慮為被動土壓力，碾壓機械引起的附加土壓力則將車輪荷載擴散的荷載考慮為主動土壓力。護筒兩側被動土壓力Ep和車輪荷載引起的壓力Ea1計算公式如下：

(1)

式中:γ為土的重度；H為土體的高度；q為機械車輛荷載；Kp為被動土壓力系數；Ka為主動土壓力系數。

根據各個變截面處截面尺寸及配筋情況，求出相應左、右側土壓力值，進而求出承載能力極限狀態下護筒變截面處的彎矩值M。參考文獻[6]方法計算短期效應組合引起的開裂截面縱向受拉鋼筋的應力σss，再根據公路橋規求出最大裂縫寬度。抗彎強度及裂縫的驗算截面取A-A截面(8 m處變截面)、B-B截面(13.5 m處變截面)、C-C截面(18.3 m處變截面)。護筒抗彎強度及裂縫寬度驗算結果見表3。

表3 護筒抗彎強度及水平向裂縫寬度驗算結果

4.1.5 護筒穩定性驗算

穩定性驗算時，考慮到護筒右側土壓力及車輛荷載產生的土壓力比左側大，故右側受力按主動土壓力計算，左側按被動土壓力計算。護筒右側主動土壓力Ea2計算式為：

進行抗傾覆穩定驗算時認為護筒底面右側點(圖4中O點)為最危險點。求出左、右側土壓力及車輪荷載擴散土壓力值進而得出傾覆和穩定力矩，參考GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》取抗傾覆穩定安全系數為1.6，故護筒的抗傾覆穩定系數需符合下式：

(2)

式中：Kt為抗傾覆穩定系數；Md為穩定力矩(由左側被動土壓力計算得)；Mq為傾覆力矩(由右側土壓力和車輪荷載、護筒自重對點O力矩計算得)。

進行抗滑穩定性驗算時，參考規范取抗滑移穩定安全系數為1.3。護筒抗滑系數用基底與土之間的摩擦力和左側被動土壓力水平向值之和同右側被動土壓力水平向值的比表示，應滿足下式：

(3)

式中：μ為土對基底摩擦系數(參考規范[11]取0.45)；G為護筒每延米自重；Ep、Ea1、Ea2分別為左側被動土壓力、右側主動土壓力、車輛荷載壓力；δ為土對墻背摩擦角(參考規范[11]取0.5ψ，ψ為砂性土內摩擦角，見表2)。

計算得護筒抗傾覆穩定系數Kt=10.2>1.6，抗滑穩定系數Ks=26.6>1.3，同理求出降雨情況下的穩定系數Kt=4.6>1.6，Ks=17.4>1.3，故抗滑穩定性和抗傾覆穩定性滿足要求。

4.1.6 地基承載力驗算

通過計算護筒受到的豎向土壓力和護筒自重來計算護筒底部應力，即地基承載力。分別求得正常情況和降雨情況下的護筒底應力σ0為363、269 kPa，均小于地基承載力特征值400 kPa，故護筒底面土基承載能力滿足要求。

4.2 填筑施工過程中堆載作用分析

4.2.1 參數選取

通過Midas GTS NX有限元分析6#橋墩護筒在填土堆載、機械荷載等作用下分層填筑施工過程等工況下的橋墩護筒力學與變形行為。有限元分析模型材料中填土為砂性土，土體選用理想彈塑性莫爾-庫侖模型、護筒結構選用線彈性模型，具體參數根據工程勘察狀況及施工用料選取，見表2。

4.2.2 分析工況

根據填筑方式、機械位置及重量等確定如下分析工況：工況1：護筒底部原狀土作為初始應力狀態；工況2：澆筑鋼筋混凝土護筒；工況3：回填護筒埋深原狀土；工況4～11：按每層2 m分層填上部砂土；工況12：護筒兩側填土0.5 m高差，兩排護筒之間填土1.3 m，護筒外側填土1.8 m，在護筒填土較高側將機械荷載以壓力荷載形式施加。

4.2.3 計算模型

根據填筑工程平場標高與既有結構的空間關系，并考慮實際地形和地質情況的影響建立以鋼筋混凝土護筒和周圍巖土為研究對象的三維空間彈塑性有限元模型。

4.2.4 施工過程中護筒受力分析

(1)護筒應力：不同分析工況下護筒的應力如圖5所示。

圖5 護筒應力變化圖

由圖5可知：護筒在分層回填過程中拉壓應力值呈逐漸上升狀態，且處于工況12時的受力最為不利，此時護筒最大拉應力為1.74 MPa，最大壓應力為4.28 MPa，均未超過C30混凝土允許強度值。

(2)護筒位移：不同分析工況下護筒的位移如圖6所示。

由圖6可知：① 護筒在施工過程中的縱橋向位移很小，橫橋向位移隨施工的進行不斷增大。當處于工況12時達到最不利狀態，此時護筒最大縱橋向位移為8.02 mm，最大橫橋向位移為110.79 mm，因為護筒與橋墩間距為80 cm，故水平向變形對橋墩無影響;② 護筒在豎向的變形位移遠大于水平位移，其豎向位移隨著回填施工的進行不斷增大且漲幅較大，護筒豎向變形在工況12下達到最大。故若既有橋梁設有橋墩系梁，應考慮豎向變形對系梁防護結構的影響。建議處理方法有兩種：① 在設計和施工防護結構時，在系梁上方與防護結構下壁間留有大于豎向沉降變形的足夠空間；② 在回填至系梁位置時再施工系梁的防護結構，此時該部位的最終沉降將不再是從施工一開始的累計變形，而是從系梁防護結構施工后的部分累計變形。

圖6 護筒位移變化圖

由于該工程6#墩左幅設置有墩間系梁，該系梁標高為220.2 m。考慮到混凝土的硬化時間，系梁護筒在回填標高至217.7 m澆筑，即分析工況7。工況7與12之間的累計豎向位移差即為該系梁護套澆筑后在回填施工過程中最不利工況下的沉降變形計算值。橋墩護筒及系梁護套相對橋墩發生了199.763 mm的累計沉降，小于30 cm(系梁護套與系梁間空隙)。

上述結構分析表明：橋墩護筒在分層填筑施工過程中，沒有發生過大變形、混凝土開裂或壓碎等現象。該工程現已實施完成，實踐證明在該高填方土體作用下，橋墩護筒防護結構可以有效地確保橋梁結構安全。

5 結論及建議

當橋下堆載不可避免時，須采用相應堆載支擋工程等措施以防安全事故發生。該文以某既有大橋的填筑工程及相應防護措施為背景，通過堆載作用下的防護結構靜力分析與堆載施工過程有限元分析，對該結構的可靠性進行驗算，得出以下結論及建議：

(1)實際工程案例分析驗證了針對既有橋梁下堆載提出的橋墩隔離性護筒結構防護的可靠性，該護筒結構可以作為一種橋下高填方土體堆載時的工程安全措施。

(2)該護筒結構的工作原理是將堆載對橋梁的作用轉移到與橋梁結構無直接接觸的外圍防護結構中，通過隔離堆載作用的方式避免堆載附加土壓力對橋梁結構的影響。當護筒沒有發生斷裂、傾倒或過大變形時，橋梁結構完全不受堆載的影響。

(3)堆載過程分析表明：鋼筋混凝土橋墩護筒的最不利工況發生在堆載高度最大時，此時的拉壓應力值與變形位移均為最大。

(4)護筒在堆載作用下，其豎向位移遠大于水平位移。故若設有墩間橫系梁，應考慮系梁防護結構的變形。建議通過增大系梁與護套的間隙或采用后期澆筑系梁護套(當堆載工程至系梁護套處再澆筑護套)的方法，以保證系梁防護結構的可靠性。