某高速公路橋梁偏位事故原因分析探討

白鵬翔 劉 洋

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710075)

1 概述

橋梁在外界因素影響下，梁體及橋墩發(fā)生偏移的類似事故屢見(jiàn)不鮮。例如橋梁結(jié)構(gòu)受溫度力、收縮徐變、支座設(shè)置不合理、橋梁兩側(cè)堆土等外界因素的影響下，橋梁上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)均有可能發(fā)生橫向或縱向的位移變形，若變形過(guò)大將造成橋梁結(jié)構(gòu)受力性損傷，對(duì)橋梁的安全運(yùn)營(yíng)造成極大隱患。

本文中，以國(guó)內(nèi)某座發(fā)生偏位事故的橋梁為例，針對(duì)其出現(xiàn)的各種病害特征，進(jìn)行分析、模擬，找到病害的真實(shí)原因，為同類病害的處治提供可靠依據(jù)。

2 橋梁及病害

某高速公路特大橋上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，中間墩處墩梁固結(jié)。2012年11月養(yǎng)護(hù)部門(mén)在巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)該橋38號(hào)、42號(hào)墩頂處梁體發(fā)生相對(duì)錯(cuò)位，經(jīng)初步檢測(cè)，在38號(hào)墩處，兩聯(lián)梁體相對(duì)錯(cuò)位3 cm;42號(hào)墩處相對(duì)錯(cuò)位達(dá)8.5 cm，整體表現(xiàn)為第13聯(lián)箱梁(4×30 m)整體向路線右側(cè)移動(dòng)。2013年檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)梁體相對(duì)錯(cuò)位有增大趨勢(shì)，42號(hào)墩處相對(duì)錯(cuò)位約為9 cm。同時(shí)，38號(hào)、42號(hào)墩柱上支座存在不同程度的剪切變形，其變形規(guī)律與梁體相對(duì)錯(cuò)位規(guī)律相吻合(見(jiàn)圖1)。同時(shí)，在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)墩柱存在偏位、支座剪切變形、墩柱系梁開(kāi)裂等現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析各種病害，發(fā)現(xiàn)病害均具有一定的規(guī)律性。

圖1 第13聯(lián)梁體偏位、支座剪切變形示意圖

1)墩柱偏位:對(duì)第13聯(lián)、14聯(lián)墩柱豎直度測(cè)量，情況如下:a.兩聯(lián)墩柱絕大多數(shù)存在橫向傾斜，傾斜墩柱占全部墩柱的81%;且相對(duì)于柱間系梁位置，柱頂最大偏移量達(dá)5.9 cm，超過(guò)規(guī)范限值(2 cm);b.從測(cè)量結(jié)果看，傾斜總體規(guī)律是第13聯(lián)墩柱多數(shù)向右側(cè)傾斜，第14聯(lián)墩柱多數(shù)向左側(cè)傾斜(見(jiàn)圖2)。2)柱間系梁開(kāi)裂:系梁豎向裂縫集中發(fā)生在系梁與墩柱連接部位附近，裂縫寬度在0.05 mm～0.25 mm之間。總體表現(xiàn)形態(tài)如下:a.左、右幅第13聯(lián)、14聯(lián)橋梁柱間系梁多數(shù)均有開(kāi)裂，對(duì)應(yīng)墩柱系梁裂縫開(kāi)展形式大致相同。b.同一系梁靠近左、右側(cè)墩柱裂縫形態(tài)有異，即一側(cè)裂縫為由下向上開(kāi)展，另一側(cè)裂縫為由上向下開(kāi)展。c.對(duì)于同一幅橋梁的柱間系梁，裂縫表現(xiàn)形式呈隔墩相同趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)。

圖2 墩柱偏位示意圖

圖3 系梁裂縫分布形式統(tǒng)計(jì)圖

3 原因分析

從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況來(lái)看，第13聯(lián)、14聯(lián)橋下堆土現(xiàn)象較為嚴(yán)重，堆土深度10 m～12 m，根據(jù)橋梁巡查人員及附近居民掌握的情況，橋下堆土?xí)r間集中發(fā)生于2012年9月份，在11月份的日常巡查中，發(fā)現(xiàn)本橋出現(xiàn)梁體偏位等病害，而在2012年以前的常規(guī)檢測(cè)中并未發(fā)現(xiàn)此類病害。因此，從病害產(chǎn)生的時(shí)間看，結(jié)合系梁開(kāi)裂等情況，初步推測(cè)是橋下堆土造成梁體偏移、系梁開(kāi)裂及墩柱傾斜、支座剪切變形等病害(見(jiàn)圖4)。從本橋病害的表現(xiàn)形式看，第13聯(lián)箱梁在整體向路線右側(cè)錯(cuò)位(平動(dòng))的同時(shí)，也存在轉(zhuǎn)動(dòng)位移;而第14聯(lián)箱梁在42號(hào)墩處存在向路線左側(cè)偏移(轉(zhuǎn)動(dòng))情況，結(jié)合系梁裂縫開(kāi)展規(guī)律(呈隔墩分布趨勢(shì))，可初步推測(cè)，橋下堆土造成本橋病害，但堆土方式是決定病害程度、病害規(guī)律的重要影響因素。因此，根據(jù)病害情況對(duì)堆土方式的模擬是分析病害成因、結(jié)構(gòu)評(píng)估及加固處治的重要依據(jù)。

圖4 橋下堆土現(xiàn)狀

采用Midas Civil有限元軟件建立兩聯(lián)橋梁整體模型，對(duì)土壓力的大小和方向試算，以盡可能的模擬橋墩、系梁和上部小箱梁在土壓力下的變形和受力情況。

在計(jì)算模型中，通過(guò)調(diào)整各固結(jié)墩所受土壓力的大小(土壓力方向暫按徑向加載，考慮堆土對(duì)原樁周土的作用)來(lái)模擬橋梁的實(shí)際受力狀態(tài)(見(jiàn)圖5，圖6)。最終計(jì)算結(jié)果如下。

圖5 模擬土壓力作用下上部橫向位移圖

圖6 模擬第13聯(lián)系梁彎矩圖

從計(jì)算結(jié)果看，在模擬土壓力作用下:

1)第13聯(lián)38號(hào)墩、42號(hào)墩處箱梁橫向位移分別為35 mm，54 mm;第14聯(lián)42號(hào)墩處箱梁橫向位移為-24 mm;箱梁橫向位移結(jié)果基本與病害相吻合。2)系梁受力模式與系梁病害表現(xiàn)規(guī)律基本一致，呈隔墩相同趨勢(shì)，即整聯(lián)墩柱受土壓力是不均勻的。3)墩柱偏位趨勢(shì)基本與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量相吻合，即第13聯(lián)整體向路線右側(cè)偏位，第14聯(lián)小樁號(hào)側(cè)有向路線左側(cè)偏位的趨勢(shì)。

雖然從現(xiàn)場(chǎng)堆土情況看，各橋墩堆土高度基本一致，但從病害表現(xiàn)規(guī)律及最終試算確定的土壓力值可以看出，作用在各橋墩土壓力并不相同，且作用方向不同，任意中間墩承受不均勻土壓力時(shí)，均會(huì)將荷載通過(guò)上部結(jié)構(gòu)傳遞到其余橋墩，而且多數(shù)橋墩處的土壓力均小于實(shí)際堆土高度，這恰恰說(shuō)明整個(gè)堆土過(guò)程并非按照一個(gè)方向有序進(jìn)行，而且堆土過(guò)程存在碾壓。因此，橋下堆土是造成本橋第13聯(lián)、14聯(lián)橋梁病害的重要原因。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)橋梁實(shí)際狀況及理論分析結(jié)果可以看出，橋下堆土是造成該橋出現(xiàn)主梁橫向偏位及墩柱垂直度發(fā)生變化的主要原因。土體本身處于塑性狀態(tài)下，當(dāng)橋下堆土過(guò)高或土體側(cè)滑達(dá)到一定程度時(shí)，勢(shì)必將對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)造成樁基、墩柱橫向承載力不足，變位、開(kāi)裂。下部結(jié)構(gòu)變位聯(lián)動(dòng)上部結(jié)構(gòu)和橋面系發(fā)生變位和損傷，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致橋梁垮塌，需引起橋梁管養(yǎng)單位的重視。

因此，建議對(duì)橋下堆土采取選擇性清方，盡可能使結(jié)構(gòu)回位，且受力與設(shè)計(jì)目標(biāo)吻合。

［1］楊 敏，朱碧堂.堆載下土體側(cè)移及對(duì)鄰樁作用的有限元分析［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(6)：78-79.

［2］楊 敏，朱碧堂.堆載地基與鄰近樁基的相互作用分析［J］.水文地質(zhì)工程，2002(3)：77-79.

［3］宋 寧.土體側(cè)移引起橋梁結(jié)構(gòu)損傷的加固對(duì)策［J］.公路，2012(5)：111-112.