地面堆载对既有桥梁结构安全的影响分析

地面堆载对既有桥梁结构安全的影响分析

1周边规章堆载近年来，由于人为因素，桥梁周边土壤的扰动，影响桥梁结构安全的现象普遍存在。就桥梁结构而言,在桥墩附近违章堆载,造成桥墩发生倾斜,进而传递至桩基础和桥梁上部结构,影响桥梁结构安全。表1中列举了几起近年来由于地面堆载导致桥梁结构受损的事故。一旦出现此类险情,如何做好违章堆载造成的结构受损的影响分析工作,为桥梁的加固处理提供可靠的依据,显得尤为重要。本文以某匝道桥为例,对地面堆载对结构的影响进行分析,并提出对桥梁维修的建议。2桥梁结构布置某匝道桥全长331.294m,由三联等截面预应力混凝土连续箱梁组成,桥梁中线位于R=180m的曲线上。桥梁跨径组成为第一联(5×29.7)m+第二联(4×26)m+第三联(2×26.5+25.794)m。桥梁墩柱为宝瓶形。墩柱底截面为矩形,尺寸为3.1m×1.2m,在墩柱顶部3.5m范围,墩柱向横桥向倾斜加宽,顶部全宽4.4m。墩基础采用ue7881.2m钻孔灌注桩,每个墩柱下设4根桩,桩长59.0m,桩底进入中砂层或圆砾层;承台厚2.0m,平面尺寸为5.4m×5.4m。桥梁结构布置示意见图1。该匝道桥梁墩身及箱梁施工完成后经该工程项目部自检及建设单位验收,主梁位置及墩身垂直度等检验项目均满足规范要求。2012年10月5日,施工单位进行伸缩缝的安装施工,发现9号伸缩缝宽度显著增大。经现场检查察看,9号墩身旁堆放有大量土方(图2),土方体积较大,高度最高达到7.5m,推断险情主要是由于9号墩附近违章堆载引起的。为保障桥梁结构安全,桥梁建设单位要求施工单位暂停后续施工,并委托专业检测机构对病害原因及安全隐患进行检测分析。检测分析的主要内容包括结构变位监测、结构仿真计算、桩基检测及结构安全评估等4个方面。3堆载抗剪作用应对桥梁结构的此类险情,首先应明确险情的发展变化是处于暂时稳定还是持续恶化的状态。通过对桥梁结构的变位进行监测,可以初步解决这个问题,为确定下一步的检测内容及方法定调。考虑到堆载在9号墩附近,对第一联的影响较小,桥梁结构变位监测主要包括:(1)在匝道桥第二、三联桥面和桥墩墩身布置位移测点,测试梁体、墩身的变位情况;(2)对匝道桥第二、三联各墩墩顶支座位移进行监测;(3)对9号墩墩顶处伸缩缝缝宽进行监测。在布置监测点的同时,为保障桥梁结构的安全,施工单位对9号墩附近的堆载进行清除,10月6日晚22:00时施工单位将堆载土方高度卸载至3.0m,检测人员对该工况的各监测点的几何坐标进行了初测。10月7日凌晨6:00施工单位将堆载全部卸载完毕,检测人员在7~10日对各监测点进行了连续监测,为尽量降低温度对结构变位的影响,监测频率定为每天早6:00和夜间22:00各监测一次,并将监测结果与桥梁验收时的测量坐标进行对比分析。通过为期5d的连续监测,得出如下结论:(1)堆载对结构变位影响区域主要为第二联2~4跨及第三联1,2跨,其中第二联第4跨梁体变位最大,6日夜间初测时梁体变位为129mm,11日夜间终测时的梁体变位为114mm,梁体变位方向与堆载土压力方向基本一致。(2)土堆卸载后梁体变位均有不同程度的回复,回复值较大的为第二联第4跨桥面位移测点,回复值为15mm,其他各测点均回复5~12mm。11日堆载卸载完成后,各监测点测值基本稳定。(3)8号、9号及10号墩墩顶发生明显偏位,初测时墩顶偏位最大的为9号墩,偏移量为43mm,堆载清除后,9号墩墩顶偏位基本稳定在36mm左右。其他各墩墩顶偏位均小于5mm。(4)9号墩支座位移较大,最大为133mm,其他支座位移相对较小,堆载卸载后,支座位移基本稳定在124mm左右。9号墩墩顶伸缩缝初测时最大缝宽为212mm,堆载卸载后,缝宽基本稳定在190mm左右,9号墩墩顶支座受损情况见图3。(5)监测期间,桥墩墩身沉降测点实测位移最大为3mm,且变化无规律,考虑到测量的自身误差,推断桥墩无明显沉降变化。综合以上监测结果分析:堆载卸载后,桥墩墩身偏位较堆载卸载前略有回复,且堆载卸载后,桥墩墩身偏位、支座位移及9号墩墩顶伸缩缝缝宽基本稳定,表明堆载卸载后桥梁结构暂时处于稳定状态,可在施工暂停的情况下进行进一步的检测工作。4影响地面沉积的分析4.1堆载土压力荷载作用下的结构位移地面堆载对桥梁结构的影响,最直观的反应是使桥墩发生水平位移。为了验证该桥的病害是否是由于堆载造成的,可通过计算堆载土压力作用下桥墩的水平位移,并与实测位移进行对比分析。采用美国土工软件FLAC3D进行结构计算。根据墩柱结构、桩基础及岩土层分布情况,建立土体和结构相互作用的三维有限差分模型,模拟被动桩的空间变形和受力状态。模型包括墩柱、支座、承台、桩基及堆载影响范围内的岩土层,并考虑上部结构的恒载影响。地面堆载加载的方式通常有2种,一种是直接利用堆载的自重予以加载,另一种则是将堆土的重力等效为作用于路基表面处的压力加载。该桥的计算采用第二种加载方式进行。有限差分计算结果表明,在堆载区范围内地基土产生较大的塑性变形,地面沉降并向堆载边缘侧向挤压,迫使土体侧向移动,并使桥墩的桩基础受到地基土的横向运动作用而发生侧移和沉降,产生扭转,桥墩也随着扭转、侧移和沉降,图4为9号墩的侧移计算结果。由图4可知,桥墩横桥向的正向侧移在墩底,约为20mm,由于发生扭转,墩顶发生负向侧移,约为13mm,横桥向墩身的相对侧移为33mm,堆载高度卸载至3.0m时现场测量值为28mm;顺桥向的正向侧移也在墩底,约为24mm,负向侧移在墩顶,约为21mm,顺桥向墩身的相对侧移约为45mm,堆载高度卸载至3.0m时现场实测值为33mm。FLAC3D软件模拟堆载土压力荷载作用下9号墩的结构位移与实际观测的桥梁结构位移结果较为接近,说明堆载所造成土压力是产生桥梁结构位移的主要因素。实测值略小于计算值主要是因为堆载高度由7.5m卸载至3.0m时墩顶偏位略有回复引起的。4.2号墩桩基布置及位移在堆载土压力影响下,桥梁结构会受到较大的地基附加应力作用,附加应力的增加相应增大桥梁桩基础的受力。计算时选取受堆载影响最大的9号墩的4根桩基进行受力分析,分析采用美国土工软件FLAC3D进行。根据桩基的受力特点,在桩基未发生受损破坏时,桩基与承台按固结计算。在承台单侧施加一定水平力时,最大内力发生在桩基与承台连接处,当弯矩达到一定值时,桩基与承台连接处首先发生局部破坏。该桥的桩基受力分析主要为了推断桩基与承台处是否发生受力破损,因此桩基与承台间按固结考虑。9号墩桩基布置示意见图5,4根桩基位移见图6。由图6可知,9号墩的4根桩不仅产生了远离土堆的平移,还产生了沿桩身某点的旋转,导致桩基顶部的水平位移比承台上部的水平位移大,如9号墩承台顶部顺桥向计算位移为24mm,4根桩基顺桥向位移为34~47mm。4根桩基中4号桩基受力最大,最大弯矩发生在桩基与承台交接处,为480kN·m,该处截面允许弯矩为450MPa,推断该处桩基可能发生局部破坏。4.3计算结果分析综合考虑现场堆载情况、桥梁整体升降温、温度梯度、混凝土收缩徐变及预应力张拉等因素,对匝道桥第二、第三联的桥墩墩身和梁体的承载能力进行验算。通过计算分析,第二、第三联墩身及梁体承载能力满足规范要求。综合以上计算结果可知:(1)堆载土压力是产生桥梁结构位移的主要因素。(2)桩基顶部的水平位移比承台上部的水平位移大,桩基最大弯矩发生在桩基与承台交接处,且计算弯矩大于截面允许弯矩,该处可能发生局部破坏。(3)综合考虑现场堆载情况、桥梁整体升降温、温度梯度、混凝土收缩徐变及预应力张拉等因素,第二、第三联墩身及梁体承载能力满足规范要求。5桩体结构完整分析根据桩基受力计算结果,桩基与承台交接处受力最大,可能发生局部破坏。鉴于8号、9号及10号墩墩顶偏位较大,为了解地面堆载对桥梁下部结构的影响,需对其桩基础进行检测。桩基检测主要采用双速度法,即在桩身侧面离桩顶不同距离处分别安装2个加速度计,测试时,在桩顶附近某一位置锤击桩身,可以得到2条速度曲线,通过对2个实测加速度信号的分析,可求出任意位置的上、下行波速度分量,判断桩阻抗的变化以及桩底反射。该方法是对已进行承台施工的桩基进行完整性检测行之有效的方法。桩基检测时对堆载影响较大的8号、9号及10号墩的12个桩基均进行了检测。检测结果表明10号墩的4根桩基质量较好,为Ⅰ类桩,8号、9号墩桩基的8根桩基在2.0~2.5m范围内均出现了波速明显偏低的特征,推断该处桩基存在病害,扣除承台厚度的2.0m,推断桩基与承台的结合面下方约0.5m范围内桩基存在缺陷。为验证这一检测结果,检测人员对距离堆载最近的9-4号桩基进行了开挖,在距离桩基与承台结合面约0.3m处发现1条横向裂缝,裂缝长1.2m、宽14.0mm,深度达450mm,见图7。通过查阅施工过程中的桩基检测结果,8号、9号及10号墩的12个桩基均为Ⅰ类桩,综合在地面堆载荷载作用下桩基的受力特点,推断该裂缝是由于本次地面堆载引起的。综合桩基受力计算结果及超声波无损检测结果,堆载对8号、9号墩的8根桩基影响较大,桩顶往下0.5m范围内桩基存在缺陷,桩基评定为Ⅲ类桩,为不合格桩,不可继续使用;其他各墩墩顶偏位较小,对桩基影响较小,可继续使用。6桩基与承台交接处混凝土开裂综合地面堆载对桥梁的影响分析,得出