橋臺側墻病害分析及預應力鋼棒加固技術研究

馬寧

U型橋臺因結構結構簡單、承載能力強、應力不高、抵抗水平推力強等優點，在各類橋梁工程中得到普遍應用。從現有橋臺損壞問題研究，U型橋臺高度只要不超過8m能夠保持較好的結構性能，但是，如果填土高度大于8m，側墻都會出現不同情況的開裂，裂縫出現位置基本上都是一致的，往往都在側墻和前墻銜接處位置。本文在研究中，主要對橋臺側墻使用現狀進行研究，采用Midas/fea仿真分析構建當前三維空間模型對橋臺側墻受力情況仿真分析，結合計算結果證實：在水平凍脹力及車道荷載共同影響下，側墻底部位置和基礎工程銜接處出現大面積集中應力現象，最高拉應力達到2.13MPa超過橋臺結構承受拉應力的極限，導致側墻底部位置和基礎工程銜接處出現裂縫間隙，甚至部分區域斷裂，造成側墻向外傾斜度加大，以此得到水平凍脹力是現階段橋臺側墻出現損壞的主要原因。通過確定側墻病害原因后，針對性提出橋臺加固方案，應該使用預應力鋼棒對錨法對出現問題的側墻加固，并且全面明確預應力鋼棒設計方案和施工步驟。在整個加工工程完成后，并在后續使用期間使用動態化監控判斷加固方案是否有效，加固后整體側墻穩定系數提升，有效保障橋梁工程使用安全，為各類橋臺側墻加固設計及施工提供借鑒意義。

一、橋梁工程概述

某森林公園處于某區域城市的南部，與郊區非常接近。與城區銜接道路主要處于森林公園內部，為園區的主要道路，森林公園有專門設置游客步行區域，橋梁主要作為跨水區域的結構物體，橋梁需要保障游客和小型機動車通行，但是，園區出現特殊情況下應該可以保證消防救援車輛及其他應急車輛通行，按照成A計算荷載量。橋梁施工方案中南部區域是1號橋梁，主要使用7跨對稱不等拱橋，北部區域是2號橋梁，主要使用3跨對稱不等拱橋。1號橋梁上部結構主要使用7跨鋼筋混凝土作為板拱，凈跨徑為（8+10+12+15+12）m，橋梁全長220m。2號橋梁上部結構主要使用3跨鋼筋混凝土板拱，凈跨徑為（9+12+8）m，橋梁全長120m。所有拱圈在施工中，全部使用1/2圓弧，不附帶鉸供，拱圈厚度為45～55㎝，整體構造使用C30鋼筋混凝土，橋梁側墻使用C25混凝土，并且加入片石澆筑而成，外部表面、主拱圈都使用環氧砂漿粘上相應材質石材作為裝飾物。在拱圈兩側位置使用C25混凝土加片石作為護供結構，所有拱頂和側墻都使用級配砂礫回填后壓實。下部結構主要包括拱座、承重臺、樁基三個部分，都使用C30鋼筋混凝土，基礎施工部分全部使用群樁，樁基直徑達到1.5m，均采用摩擦樁施工。橋臺側墻使用C25混凝土，并且加入片石澆筑而成。結合橋梁工程的要求，側墻高度及其地基承載力都使用雙層和單層基礎。并且，橋臺側墻高度大，地基軟弱，依據側墻施工要求和承載力大小，主要使用復合地基、片石+換填的處理方案，并且每段側墻間都使用3m沉降縫。圖1為2號橋梁工程圖。

圖1 2號橋梁工程圖

二、橋梁工程中橋臺側墻病害情況分析

1.病害現狀分析

該橋梁于2010年開始施工建設，并于2018年完成竣工驗收，但是，發現1號和2號橋梁中側墻都有非常明顯的外傾現象，頂部外傾最為嚴重，基本上達到2㎝，底部外側也有明顯外傾，達到1㎝，結合驗收組專家意見，對側墻傾斜情況常態化觀測，并沒有采取任何處理。2020年8月分別對1號和2號橋梁側墻傾斜情況進行現場勘察，整體側墻外傾現象更為明顯，1號橋梁頂部傾斜位移達到6㎝。

2.病害形成原因分析

從橋梁施工理論而言，一般情況壓力大小和側墻高度有著密切關系，高度越低，壓力也就越小。研究中側墻高度不同，但是，最高處達到10.5m，側墻臺背全部使用砂礫回填形成，機動車載荷等級只能達到城B，通過計算后判斷出側墻受力系數是滿足施工方案設計要求的。以往在設計過程中，高度重視側墻高度及地基軟弱的特點，使用復合地基、片石+換填的處理方案，能夠有效緩解地基存在的問題，保障橋臺側墻穩定性。結合區域實地勘查得知，為更好地保護生態環境，充分增強公園的各方面品質，所有橋梁竣工使用后，園區開始大面積蓄水，水位相比較工程修建時不斷升高，蓄水水面高度超過以往工程設計標高，整體超出側墻基礎工程8.6m，側墻所處位置長時間在水中浸泡。而且，該區域湖泊并非是常年都存在的，而是因當期氣候原因屬于季節性湖泊，水位高度反復，在冬季時期基礎填料部分很容易出現大面積積水，一旦積水后增強凍脹強度，直接會形成膨脹情況，加上填料膨脹增大土層壓力，導致橋臺側墻傾斜形成。加上，整體側墻都是使用片石+混凝土形成，整體抗彎拉能力不強，一旦出現浸泡中，水平凍脹力持續增強，側墻開始產生變形，而且變形趨勢會隨著時間加劇。

通過Midas/fea仿真分析構建橋臺側墻三維模型進行仿真分析，側墻全部使用C25混凝土+片石結構，基礎施工部分采用C20混凝土+片石結構形成，水平凍脹力在計算中根據《水工建筑物抗凍設計規范》得出。結合區域氣象數據資料，凍深確定為Wd=150㎝，地下水位深度需要設計為Wd=250㎝，橋臺臺背使用砂礫進行回填。并且，凍脹分級如表1所示，明確區域凍脹級別為第二等級，土產生的凍脹力有切向凍脹力、水平凍脹力和法向凍脹力，其中研究中選擇水平凍脹力，土的凍脹等級需要按照表2進行確定，選取水平凍脹力的荷載數值應當為60kPa。

表1 土的凍脹等級

表2 單位水平凍脹力M

在水平凍脹力和通行車輛荷載影響中，橋臺側墻應力經過模擬測算后，底部區域和基礎結構銜接處應力非常集中，最大達到2.13MPa，超過側墻設計方案承受最大抗拉強度的最大值，這充分證明在凍脹力影響下，側墻部位出現明顯開裂，并且隨著裂縫加大，基礎結構對側墻束縛作用力越來越小，側墻外傾力度越來越大，分析結果和現場勘察情況相同，這證實水平凍脹力是當前此處橋梁產生病害的主要因素。

三、橋臺側墻加固方案設計

在橋臺側墻加固中，有著諸多加固方案，如反壓回填、預應力對錨法等，都是常用的加固方法。但是，反壓回填在施工中需要很大的空間，并且會對外觀結構改變，一旦采用這種方式會影響到橋梁的美觀性，也會對周圍環境的和諧性破壞；預應力對錨法在施工中僅僅需要很小的空間，施工成本較低，加固效果好。根據具體施工區域情況、交通通行需求、側墻結構類型、病害形成主要原因等因素的綜合分析，經過橋梁施工、設計、建設、監理等單位及相關專家的論證分析，決定使用預應力鋼棒對錨法對側墻進行加固。在施工中，對橋臺側墻一側增強預應力。既可以發揮出預應力鋼棒的自鎖特性，有利于制約傾斜向外擴張，也可以削弱底部結構和基礎機構的拉力水平，充分增強整體結構的抗開裂能力，從而充分保障橋臺結構的安全，也能增強橋臺結構的使用壽命。

從具體加固施工步驟而言，在側墻距離頂部區域2m位置布設5排40根直徑20㎜預應力鋼棒。在施工作業中，將作業區域按照不同病害情況進行劃分，明確各個部分使用的張拉鋼筋數量。針對本次加固區域中，將作業區域劃分為A、B、C、D四部分。其中，在A段施工區域中，主要使用5排預應力鋼棒，每隔2m設置一排，并且布置4跟張拉鋼筋。在B段施工區域中，也是使用5排預應力鋼筋，每隔2m設置一排，使用3根張拉力鋼筋。在C施工區域中，也是使用5排預應力鋼筋，每隔2m設置一排，使用6張拉力鋼筋。在D施工區域中，也是使用5排預應力鋼筋，每隔2m設置一排，使用4張拉力鋼筋。所有鋼棒都使用鉆孔方式進行固定，通過搭設鉆孔平臺，使用鉆機進行鉆孔。在側墻鉆孔作業前，需要使用短鉆頭施工作業，一旦穿過側墻后，應當更換長鉆頭，每完成一個鉆孔，都需要更換巖心管。側墻中使用的鋼筋都要采用20-2無粘結預應力鋼棒，張力需要控制在0.5fpk。在加固中，需要對側墻結構受力情況分析，底部結構和基礎結構部分銜接處最大應力應該為-0.8MPa，側墻最大傾斜距離是0.5㎜。這證實橋臺側墻底部結構和基礎結構銜接處一直都是受壓狀態，側墻外傾情況得到有效緩解，加固效果明顯。為保障橋臺側墻受力都是相等的，避免側墻內部結構出現相互擠壓情況出現，應當對所有錨點區域開槽，深度應當達到12.5槽口底部大小為9×10.6㎝，頂部大小為9.5㎝×12.2㎝，槽口底部應當設置1.6㎝錨墊板，平面、立體圖如圖2所示。通過計算可知，混凝土需要承受壓力為278.8kN，符合當前局部承壓要求。

圖2 平、立面圖

在所有預應力鋼棒安裝過程中，都需要對已經鉆孔的位置進行檢查，對其中存在的塌孔和雜物的都要進行合理處理；安裝錨具中，錨具、墊板、鋼棒都要一起安裝。并且，預應力鋼棒都需要分級設置張拉，在施加預應力過程中，需要對橋臺墻體變形情況進行監測，保障不會形成新的變形。張拉形成后，需要立即使用C40混凝土封閉外部所有錨頭。

四、結語

文章在研究中，以某公園橋梁建設中的橋臺側墻為研究對象，通過對當前橋臺側墻出現問題進行全面勘察，分析出橋臺側墻病害形成的主要影響因素，也利用Midas/fea構建三維仿真模型，并且對其進行仿真分析，從而得到研究結論：在水平凍脹力和通行車輛載荷影響中，橋臺側墻底部結構和基礎工程底部結構銜接處產生應力集中現象，最大拉應力達到2.13MPa，超過當前混凝土結構所承受的最大抗拉強度，側墻基礎結構基本上全部產生不同程度的開裂，并且在地下水位上漲過程中，在反復冰凍和融化作用下，側墻開裂程度進一步加劇，這說明橋臺側墻產生開裂的主要原因是水平凍脹力造成的。在找出橋臺側墻病害形成原因后，制定了預應力鋼棒加固施工方案，使用穿孔施工辦法對橋臺側墻加固，充分發揮預應力鋼棒的自鎖性能，制約側墻外傾擴張速度，借助外部施加的壓力調節了側墻受力情況，確保從以往的2.13MPa局部受力轉變為全部受力，增強側墻結構的使用壽命，并且也闡述加固方案的施工流程。在橋臺側墻加固方案完工后，也對加固橋梁側墻位置進行長期監測，后續側墻病害問題基本沒有產生，說明預應力鋼棒加固方案可行，形成的加固效果好，為后續其他橋梁工程中橋臺側墻加固提供了借鑒依據。