初始偏位梁式橋墩柱力學性能分析

夏宏宇, 張正琦, 程 高, 徐小茹

(1.甘肅省公路建設管理集團有限公司, 甘肅 蘭州 730000； 2.長安大學 公路學院, 陜西 西安 710064)

0 引言

據交通運輸部統計，中小跨徑橋梁數量所占比例達88.77%，橋梁長度所占比例達45.79%，建設規模最大[1]。裝配式鋼筋混凝土結構或者預應力混凝土結構橋梁單梁由于具有自重小、宜于工廠化預制、運輸安裝裝備成熟等優勢，在中小跨徑橋梁占有絕對優勢[2]。受技術難度、經濟成本、建設規模等因素控制，即使在山區溝壑地形，其上部結構仍大量采用中小跨徑梁橋，這勢必出現較多的高墩柱[3]。對于中小跨徑梁式橋，墩高較大且墩柱數量較多時，受施工技術水平、施工裝備能力、自然環境惡劣等影響，施工過程中墩柱偏位現象時有發生[4]。若偏位超限，墩柱維修加固或改造施工難度大、經濟代價高、社會影響惡劣[5]。開展初始偏位梁式橋墩柱受力性能研究，有助于揭示缺陷墩柱工作狀況，制定經濟合理的墩柱維修改造方案。

按照受力機理橋梁墩柱偏位可分為使用階段引起的附加偏位及施工過程引起的初始偏位，二者對橋跨結構的影響存在本質區別。對于連續剛構橋或連續梁橋，墩柱偏位對上下部結構影響機理也不同。張天明[6]報道了重慶菜園壩長江大橋引橋受隧道棄渣影響南引橋某橋墩偏位超限，柱底范圍出現大量裂紋，相關單位發現問題后，采取清除棄渣，鑿除開裂混凝土并補強。李乾坤[3]針對橋墩局部偏位超限的某連續剛構橋靜力特性、動力特性及穩定特性展開研究，指出與橋墩無缺陷的橋梁靜力性能相比，墩柱內力及上部結構內力無明顯變化。若增大截面，結構自振稍增大，但橋墩及主梁控制截面處的內力基本無變化；若增加系梁，僅對結構地震響應有所幫助。陳偉明[7]等針對有初始缺陷的薄壁高墩大跨徑連續剛構橋施工階段穩定性展開研究，得出初始缺陷對高墩穩定性有所降低，縱橋向的初始幾何缺陷較橫橋向對穩定承載力影響大。張剛[8]對某鐵路橋橋墩偏位原因及糾偏措施展開研究，指出橋墩附近地鐵開挖施工是引起偏位的主要原因，采取了定向噴射注漿樁、設置應力釋放孔和變形槽等措施進行墩柱加固和糾偏整治。曾勇[9]開展了某連續梁橋橋墩糾偏的頂推受力分析研究，指出在墩柱結構安全允許時，可將豎向頂升千斤頂放置在橋墩頂部以頂升主梁，在主梁底部安裝縱向和橫向復位千斤頂進行墩柱糾偏。可見，現有研究尚未有針對施工階段初始偏位墩柱梁式橋受力機理的研究報道。為此，本文擬圍繞墩柱初始偏位，歸納墩柱偏位出現類型及內力分布特征，建立全橋桿系結構與墩柱實體結構有限元模型，分析墩柱偏位超限對主梁、墩柱的內力、變形及穩定性的影響，從而把握偏位墩柱的受力特性，以便于有針對性地制定墩柱加固維修方案，對減少工程投資具有重要的參考價值。

1 初始偏位墩柱分類與內力解析

連續梁橋墩柱主要受到豎向支反力、水平支反力以及墩柱的自重作用。其中豎向支反力主要由主梁自重、二期恒載及汽車活載引起；水平支反力包括順橋向水平支反力和橫橋向水平支反力，其中順橋向水平支反力主要由汽車剎車力產生，橫橋向水平支反力主要由風荷載引起。墩柱的底部邊界條件可等效為墩底固支邊界、墩頂為自由邊界，豎向支反力、水平支反力可等效為集中荷載，墩柱的自重可等效為沿墩柱高度方向的均布荷載。由此得到，墩柱的受力模式如圖1所示。圖1中P為豎向支反力，F為水平支反力，q為自重荷載，Δ為墩柱墩頂偏位值。

圖1 墩柱的計算圖式

基礎開挖、堆土、積水、施工誤差等不利因素影響均可能導致橋墩偏位。墩柱的偏位具有方向性，可分解為順橋向偏位和橫橋向偏位2個方向。因此，空間偏位的墩柱內力分析可轉化為平面問題。橋墩墩柱可能偏位的幾種典型情況如圖2所示。圖2(a)為墩柱整體發生偏位，圖2(b)～圖2(e)為墩柱局部偏位情況，圖2適用于順橋向偏位和橫橋向偏位的情形。

圖2 墩位可能出現的偏位

為便于分析偏位對墩柱內力的影響，按照疊加原理，可先求解豎向支反力、水平支反力以及墩柱的自重單獨作用下結構內力分布規律，后進行內力疊加。豎向支反力與墩柱自重均為豎向力，二者作用下墩柱的內力分布規律差異較小，可合并計算分析。

圖3給出了豎向支反力和墩柱自重共同作用下墩柱的內力分布情況。由圖3可知，墩柱偏位后將產生附加彎矩和附加剪力，使墩柱的受力狀態發生實質性改變，由純受壓作用轉變為壓彎剪共同作用。由圖3(a)可知，墩柱出現偏位后，偏位處墩柱產生附加彎矩，整體偏位、局部偏位I及局部偏位II即墩頂發生偏位時最大彎矩出現在墩底，局部偏位III墩柱及局部偏位Ⅳ時即僅墩身發生偏位，而墩頂不發生偏位，最大彎矩出現偏位方向突變處。由圖3(b)可知，墩柱出現偏位后，偏位處墩柱產生附加剪力，非偏位區域剪力為零。由圖3(c)可知，墩柱出現偏位前后軸力分布規律一致。

圖3 豎向力作用下墩柱內力分布

圖4給出了水平支反力單獨作用下墩柱的內力分布情況。由圖4可知，墩位偏位后將產生附加軸力，使墩柱的受力狀態由彎剪作用轉變為壓彎剪共同作用。由圖4(a)可知，墩柱出現偏位后，僅改變墩柱彎矩量值，不改變最大彎矩出現位置。由圖4(b)可知，墩柱出現偏位后，剪力圖分布規律發生改變，由均勻分布變為呈線性變化趨勢。由圖4(c)可知，墩柱出現偏位后，偏位區域墩柱產生附加軸力，非偏位區域軸力零。

圖4 水平力作用下墩柱內力分布

結合圖3和圖4進行內力疊加后，可得到豎向支反力、水平支反力及墩柱的自重共同作用下直墩、偏位墩的彎矩、剪力及軸力分布規律，如圖5所示。由圖5可知，墩位偏位后將產生附加的彎矩、剪力和軸力，放大墩柱的壓彎剪作用，改變墩位的受力狀態，甚至使最大彎矩出現位置發生改變。

圖5 墩柱的內力圖

2 工程案例分析

2.1 工程概況

某大橋全長112m，跨徑組合為3×35m，上部結構為裝配式預應力預制混凝土連續箱梁，結構體系為先簡支后連續，下部采用柱式墩臺，墩高35m，橋臺及橋墩均采用樁基礎，橋梁總體布置如圖6所示。

圖6 總體布置圖

表1給出了該橋墩柱豎直度專項檢測結果。由表1可知，該橋2-1#墩柱的墩身豎直度超過了《公路工程質量檢驗評定標準 第一冊 土建工程》 (JTG F80/1-2017)第 8.6.1 條(5m60m，豎直度≤H/3 000，且≤30mm，H為墩身高度)的要求[11]，屬于缺陷墩。

表1 墩柱豎直度檢測結果Table 1 Verticality test results of piers墩柱編號測試位置距墩底高度/m偏位值/mm傾斜率/%裂縫情況下截面-中截面16.74164.60.39未見2-1#墩柱中截面-上截面14.87961.50.41未見下截面-上截面31.620126.10.40未見

墩柱因施工引起初始偏位，需建立直墩和缺陷墩模型，以分析墩柱偏位對橋梁結構靜、動力性能的影響。先建立全橋桿系有限元模型，進行正常使用極限狀態下和承載能力極限狀態下結構計算，得到墩柱的支反力，以此為荷載條件施加墩柱實體有限元模型，得到墩柱的應力及位移，從而評價墩柱的強度、剛度及穩定性。

2.2 全橋結構分析

2.2.1結構建模

利用Midas Civil 2015建立全橋模型，全橋構件均采用一般梁單元建立，模型中以橋墩發生偏位后的狀態為其初始狀態建立模型，結構采用裝配式預應力預制混凝土連續箱梁，不考慮材料材齡、水化熱等的影響。并建立直墩模型，通過與缺陷墩模型的縱橋向彎矩、剪力、軸力以及全橋基頻等參數對比來分析橋墩偏位對全橋力學性能的影響，全橋模型如圖7所示。模型中考慮的荷載有：結構自重、二期恒載、汽車荷載、地震荷載、整體升降溫、溫度梯度和支座沉降等；荷載組合方法為承載力極限狀態下作用組合即1.1×(1.2×恒載+1.0×支座變位+1.4×活載)和正常使用極限狀態下作用組合即1.2×恒載+0.7×活載(不含汽車沖擊力)。

圖7 全橋模型示意圖

2.2.2結果分析

根據桿系結構整體計算結果，形成缺陷墩后，橋梁結構的固有頻率、屈曲模態幾乎沒有變化。提取了正常使用狀態下和承載能力極限狀態下主梁及墩柱的內力及變形結果，以及地震力作用下墩柱的內力及變形情況。由于篇幅有限，在此，僅給出內力及位移的最大值進行比較，分別如圖8、圖9所示。由圖8可知，形成缺陷墩后，墩底最大彎矩略有增大，而對主梁的內力及變形幾乎沒有影響；正常使用極限狀態下墩柱的最大彎矩增加了7%，承載能力極限狀態下幾乎無變化。地震力作用下，墩柱的最大彎矩、剪力、軸力和位移值均有所減小，這是由于相對于直柱，柱傾斜后軸向剛度對側向剛度的貢獻會明顯增加。圖8及圖9中，彎矩單位為kN·m，軸力及剪力單位為kN，位移單位為mm。

圖8 整體計算結果對比

圖9 地震力作用下墩柱整體計算結果

2.3 雙柱式橋墩結構分析

2.3.1結構建模

墩柱有限元模型采用有限元軟件Abaqus，混凝土采用實體單元，鋼筋采用三維桁架單元，采用embedded命令嵌入混凝土實體單元中。網絡劃分采用結構化網格劃分技術。墩底采用固結邊界條件，根據整體分析計算結果，施加支反力。模型中不考慮支座的剪切剛度作用，有限元模型及網格劃分如圖10所示。

2.3.2結果分析

根據實體有限元計算結果，得到直墩及缺陷墩柱的最大應力及最大水平位移，如圖11所示。由圖11可知，形成缺陷墩后，正常使用極限狀態下墩柱鋼筋最大壓應力和最大拉應力增加不明顯；墩頂最大水平位移增加了12.6%；混凝土主拉應力幾乎不變。承載能力極限狀態下墩柱鋼筋最大壓應力增加了17.8%，但低于鋼筋的應力容許限值，最大拉應力增加2%；混凝土主拉應力幾乎不變。圖11中應力的單位為MPa，位移的單位為mm。

(a)鋼筋模型

圖11 墩柱應力及位移

3 研究結論

論文先歸納了墩柱偏位類型，并分析墩柱內力及變形分布規律，接著以具有初始缺陷墩柱的梁式橋為例進行了結構整體分析及實體有限元分析，得到了墩柱初始缺陷對橋梁自振特性、模型，主梁的內力及變形，墩柱的應用及位移等影響規律。具體結論如下：

a. 墩位偏位后將產生附加的彎矩、剪力和軸力，放大墩柱的壓彎剪作用，改變墩位的受力狀態，甚至使最大彎矩出現位置發生改變。

b.形成缺陷墩后，橋梁結構的固有頻率、屈曲模態、主梁的內力及變形幾乎沒有變化。形成缺陷墩后，墩底最大彎矩略有增大。地震力作用下，墩柱的最大彎矩、剪力、軸力和位移值沒有增大反而有所減小。

c.形成缺陷墩后，正常使用極限狀態下墩柱鋼筋最大壓應力和最大拉應力增加不明顯，混凝土主拉應力幾乎不變，墩頂最大水平位移增加了12.6%。承載能力極限狀態下墩柱鋼筋最大壓應力增加了17.8%，但低于鋼筋的應力容許限值，最大拉應力增加2%，混凝土主拉應力幾乎不變。