預應力鋼棒在橋臺側墻加固中的應用

徐金華

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原市 030032)

0 引言

U形橋臺因構造簡單、基底承載面大、應力小、抵抗水平推力能力強等優點，在橋梁工程中被廣泛應用。U形橋臺適用于填土高度為3～12m的單孔或多孔橋梁，尤其是拱式橋梁。李茂盛[1]對已建和在建的橋臺病害的調查表明，U形橋臺高度≤8m的均結構良好，而填土高度超過8m的，側墻均有不同程度的開裂，裂紋發生的位置基本相同，常發生在側墻與前墻交界部位。譚曉琦[2]、張儉[3]、武建等[4]對橋臺病害原因進行了詳細分析，如臺后填土土質較差、含有黏性土且壓實度未達到設計與規范要求、橋臺地基承載力不滿足要求、橋臺的不均勻沉降導致的附加力、車輛超載等。

以上學者均未分析凍脹力對橋臺側墻的影響，通過對橋臺側墻病害現場分析，在收集既有研究成果的基礎上，采用midas/fea建立三維空間實體模型， 研究了水平凍脹力對橋臺側墻的影響，得出水平凍脹力為本橋橋臺側墻外傾的主要因素，確定了采用預應力鋼棒對錨法作為本橋側墻加固的實施方案，加固后橋臺側墻外傾趨于穩定，取得了很好的施工效果，其成功經驗值得推廣借鑒。

1 工程概況

竹溪湖濕地公園位于某市城區西部，緊鄰城區。連接道路位于濕地公園范圍內，為園區主干道路，濕地公園園區為專供游人通行區域，橋梁為跨越水系的結構物，橋梁主要考慮游人和電瓶車通行，但在特殊情況下需考慮通行消防車輛或其他緊急車輛通行要求，按城B進行荷載驗算。

橋梁方案為南側1號橋采用3跨對稱不等跨拱橋，北側2號橋采用5跨對稱不等跨拱橋。1號橋上部結構采用3跨鋼筋混凝土板拱，凈跨徑組合為(10+12+10)m，橋梁全長110m。2號橋上部結構采用5跨鋼筋混凝土板拱，凈跨徑組合為(10+12+14+12+10)m，橋梁全長150m。

拱圈均采用1/2圓弧無鉸拱，拱圈厚度40～50cm，采用C30鋼筋混凝土，橋梁側墻采用C25片石混凝土立模澆注，外立面、主拱圈采用環氧砂漿粘貼石材進行裝飾。拱圈兩側設置C20片石混凝土護拱，拱頂、側墻內采用級配砂礫回填壓實。

下部結構拱座、承臺、樁基均采用C30鋼筋混凝土，基礎采用群樁基礎，樁基直徑為1.2m，按摩擦樁設計。橋臺側墻基礎采用C20片石混凝土擴大基礎。根據側墻的高度及要求的地基承載力，分別采用雙層基礎和單層基礎。考慮橋梁側墻較高，地基土濕軟，根據側墻的基礎要求承載力，分別采用了復合地基(CFG樁)、片石擠淤+換填砂礫的處置方案，并在每段側墻之間設置2cm沉降縫。圖1為竹溪湖1號景觀橋立面圖。

圖1 竹溪湖1號景觀橋立面圖

2 病害描述

竹溪湖公園景觀橋于2013年開工建設,2015年5月份進行竣工驗收時，發現1、2號拱橋側墻發生整體外傾現象，頂部外傾位移為2cm，底部外傾位移為1cm，根據相關專家意見，對側墻外傾現象加強觀測，未進行處理。2019年4月再次對1、2號拱橋側墻進行現場調查，發現側墻整體外傾現象加劇，1號橋的頂部側墻位移達到5cm。

3 病害原因分析

理論上土壓力的大小與橋臺側墻高度密切相關，高度越高，土壓力越大[5]。本橋側墻最大高度為9.3m，側墻臺背采用砂礫進行回填，汽車荷載等級為城B，經計算分析側墻受力滿足設計要求。原設計考慮橋梁側墻較高、地基土濕軟，采用了復合地基(CFG樁)、片石擠淤+換填砂礫的處置方案，可排除地基不均勻沉降引起橋臺側墻外傾。通過現場核實調查，為促進生態恢復，著力提升公園的生態、休閑、娛樂功能及品位，景觀橋建成通車后，公園園區長期蓄水，水位持續升高，蓄水水面標高較原設計水位大幅提高，水位高出橋臺側墻基礎底面6.5m，橋臺側墻長期處于浸泡狀態。分析認為竹溪湖為季節性湖泊，園區水位反復升降，冬季臺后填料部分容易積水，當積水發生凍脹效果后，會產生膨脹現象，臺后填料的膨脹會導致土壓力顯著增大，最后導致側墻外傾。因整個側墻采用的片石混凝土墻身，墻體抗彎拉能力較差，在臺后填料浸水狀態下，受水平凍脹力作用下，側墻發生變形，且變形還有繼續發展的趨勢。

采用midas/Fea建立橋臺側墻三維仿真有限元模型，側墻采用C25片石混凝土，基礎采用C20片石混凝土，水平凍脹力計算按照土的凍脹級別參照 《水工建筑物抗冰凍設計規范》[6](GB/T 50662—2011)進行取值。通過查閱當地的氣象資料，設計凍深為Zd=100cm，天然地表或設計地面高程算起的地下水位深度為Zw=200cm，本橋臺臺背采用砂礫回填，凍脹量可參考 《水工建筑物抗冰凍設計規范》[6](GB/T 50662—2011)附錄C由圖C.0.2-3查表為3.5cm，對照《水工建筑物抗冰凍設計規范》(GB/T 50662—2011)土的凍脹分級如表1所示，可得本地區土的凍脹級別為Ⅱ級，土的凍脹力包括切向凍脹力、水平凍脹力和法向凍脹力，其水平凍脹力可根據土的凍脹級別按表2進行取值，本次計算取水平凍脹力荷載值為50kPa，其空間有限元模型如圖2所示。

表1 土的凍脹分級

表2 單位水平凍脹力σh

圖2 橋臺側墻空間有限元模型

在水平凍脹力及車道荷載作用下，橋臺側墻的應力云圖如圖3所示，計算分析結果表明，橋臺側墻底部與基礎交界處產生了應力集中現象，最大拉應力達到1.85MPa，大于C20片石混凝土抗拉強度設計值，說明在凍脹力作用下，側墻基礎發生開裂，隨著裂縫的發展，基礎對側墻的約束越來越弱，側墻的外傾現象也越來越明顯，分析結果與現場情況一致，說明水平凍脹力為側墻病害的主要原因。

圖3 橋臺側墻應力云圖(單位：MPa)

4 加固設計方案

反壓回填、體外支護、預應力地錨、預應力對錨為側墻加固的常用措施。反壓回填、體外支護需要占用較大的空間，同時將改變結構的外觀，如采用以上兩種方法將嚴重影響景觀橋的美觀性及周圍環境的協調性；而預應力地錨、預應力對錨法具有占地少、經濟適用、效果顯著等優點。結合實際地形、交通需要、側墻結構形式及病害成因等因素，經橋梁設計、建設、施工、監理等單位及有關專家共同研究, 擬采取預應力鋼棒對錨法加固側墻。通過對橋臺側墻施加預應力，一方面可以通過預應力鋼棒對錨法的自鎖原理，限制側墻的外傾現象，另一方面可以降低側墻底部與基礎交界處結構主拉力水平，提高結構抗開裂能力，從而確保結構安全并提高耐久性。

具體加固方法是:在距側墻頂端2m(A、B塊范圍內)布置3 排共20根直徑16mm預應力鋼棒見圖4)。側墻A塊范圍內：第一排距頂端2m 縱向布置4根張拉鋼筋, 間距2.0m;第二排距頂端4m 布置3根張拉鋼筋;間距2.0m；第三排距頂端6m 縱向布置4 根張拉鋼筋, 間距2.0m。側墻B塊范圍內：第一排距頂端2m 縱向布置4根張拉鋼筋,間距2.0m;第二排距頂端4m 布置3根張拉鋼筋，間距2.0m；第三排距頂端6m 縱向布置2 根張拉鋼筋,間距2.0m。

圖4 側墻錨孔示意圖(單位：cm)

鉆孔時在側墻外側搭設鉆孔平臺，采用XY-2鉆機自下而上進行鉆孔,從東側向西側鉆進。在側墻上鉆孔時先用短鉆具開孔鉆進, 鉆穿側墻混凝土后, 換長鉆具鉆進, 每鉆完一根, 加一根巖芯管跟管鉆進。側墻對拉預應力鋼筋采用直徑16-2無粘結預應力鋼棒，鋼筋張拉控制應力0.5fpk，即每根鋼棒張拉力為142.7kN,其設計方案見圖5。

圖5 側墻橫向拉桿示意圖(單位：cm)

在側墻施加預應力進行加固基礎上，對側墻在組合荷載作用下結構受力進行受力分析，計算結構表明，側墻底部與基礎交界處最大應力為-1.2MPa，側墻的最大位移為0.5mm。

說明側墻底部與基礎交界處處于受壓狀態，側墻的外傾現象得到控制，加固效果顯著。

圖6 槽口平、立面圖(單位:cm)

安裝預應力鋼棒前應對鉆孔重新進行檢查，對塌孔、掉塊等進行清理或處理;安裝錨具時，錨具、錨墊板、預應力鋼棒必須同軸安裝。預應力鋼棒應分級張拉，施加預應力時要隨時監測墻體的變形情況，確保橋臺不產生新的變形。張拉完成后，及時采用C40混凝土封閉外錨頭。

5 結論

以竹溪湖濕地公園景觀橋側墻為研究對象，通過對側墻病害現狀進行調查，分析了導致側墻病害可能原因，利用MIDAS/FEA軟件建立側墻三維仿真有限元模型，并對其進行仿真分析,得出如下結論：在水平凍脹力及車道荷載作用，側墻底部與基礎交界處出現了應力集中現象，最大拉應力達到1.85MPa，大于C20片石混凝土抗拉強度設計值，側墻基礎在應力集中部位發生開裂，隨著竹溪湖濕地公園水位的不斷升降變化，在反復凍融狀態下，基礎裂縫繼續發展，側墻外傾現象進一步加劇，分析結果表明，水平凍脹力為側墻病害的主要原因。在確定側墻病害外傾的主要原因后，提出了橋臺側墻加固方案，采用對穿預應力鋼棒法對橋臺側墻進行加固，通過預應力鋼棒對錨法的自鎖原理，限制側墻的外傾現象，施加的體外力改善了側墻的受力狀態，使結構由受拉狀態(最大拉應力1.85)轉換為全截面受壓狀態，提高了結構的耐久性；并詳細闡述了預應力鋼棒設計及施工流程。側墻加固后，對橋臺側墻進行長期觀測，側墻病害得到控制，驗證所采用的加固設計方案可行，加固效果良好，為橋臺側墻的加固設計及施工提供了借鑒。