施工偏位對預應力連續梁橋墩身承載力的影響分析

李鵬飛 陶小委

（1.河南省豫南高速投資有限公司，河南 信陽 464000；2.黃河交通學院交通工程學院，河南 焦作 454150）

0 引言

橋墩是支撐橋跨結構并將恒載和活載傳至地基的結構，是橋梁的重要受力結構。在上部荷載作用下，橋墩一般為軸心受壓或小偏心受壓構件。柱式橋墩一般采用分節段現澆施工，節段高度根據墩身高度及施工方法確定。墩身分節段施工應采取有效措施，確保墩身垂直度滿足要求。受測量誤差、模板變形等因素影響，橋墩在施工過程中時常發生因放樣錯誤或控制不當造成的超出施工規范和驗收標準限值的軸線偏位［1］。橋墩的軸線偏位將增大結構在軸向壓力作用下的撓曲二階效應，引起較大的附加彎矩，改變結構的受力狀態。對于施工中造成的橋墩偏位，應進行詳細檢測并通過計算分析評估對橋梁結構的影響。張贊鵬等［2］以某橋梁因渣土堆積造成橋墩偏位超限為例，對橋墩偏位超限所在橋跨結構進行外觀檢測、實體檢測和安全評估計算。徐小茹［3］、夏宏宇等［4］以某墩柱偏位超限高墩連續梁橋為例，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。本研究以某跨徑組合為5×30 m 公路橋梁為工程背景，對橋梁3#墩偏位進行了檢測，并對橋墩承載能力和抗裂性能進行了評估計算，分析了橋墩偏位對結構的影響。

1 工程項目背景

某公路橋梁跨徑組合為5×30 m，橋梁全長160 m。橋梁上部結構采用30 m 預制小箱梁，先簡支后結構連續體系。橋墩采用圓柱式墩、單排樁基礎，橋橫斷面布置如圖1 所示。主梁和現澆濕接縫均采用C50 混凝土，調平層采用C40 混凝土。橋墩墩身、蓋梁和系梁采用C35 混凝土，橋臺臺帽、耳背墻、肋板采用C35 混凝土，承臺采用C30 混凝土，樁基采用水下C30 混凝土。橋梁設計荷載等級為公路-Ⅰ級，設計基準期為100年，所處環境類別Ⅱ類，設計洪水頻率為1/100，設計安全等級為一級。在橋梁施工過程的質量檢測中，發現左幅3#墩立柱存在偏位，墩柱豎直度超過規范［5］允許值。為保證橋梁的建設質量和建成后的運營安全，需要評估橋墩偏位對橋梁結構受力和安全影響。

圖1 橋梁橫斷面布置（單位：cm）

2 橋墩偏位檢測

2.1 橋墩偏位檢測方法

根據檢測方式不同，橋墩偏位檢測分為有接觸檢測和無接觸檢測。有接觸檢測包括激光垂準儀法、垂線法和靠尺法等，測量時需要將儀器接觸墩身。有接觸檢測受現場條件限制較大，一般需要額外的檢測作業車等設備，檢測難度較大且準確性難以保證。無接觸檢測一般采用無合作目標型全站儀，在無反射棱鏡的條件下，對目標直接測量。對不便安裝反射棱鏡的橋墩，無合作目標型全站儀具有明顯優勢。本研究橋墩偏位檢測采用徠卡Nova TS50 高精度全站儀，測角精度為0.5 s，無合作目標距離測程可達1 000 m。

2.2 橋墩偏位檢測結果

橋墩采用圓柱式墩，基礎為單排樁基礎。墩身立柱直徑1.6 m，樁基直徑1.8 m。采用無接觸橋梁立柱偏心測量法［6］，對橋梁3#墩立柱偏位情況進行檢測，結果表明：3-1#立柱高6.274 m，柱頂橫橋向左偏27.1 mm，縱向偏向大樁號15.2 mm，立柱合成最大偏位31.1 mm，垂直度4.96‰；3-2#立柱高6.143 m，柱頂橫橋向左偏9.0 mm，縱向偏向大樁號3.2 mm，立柱合成最大偏位9.6 m，垂直度1.55‰。

3 基于模型的支座反力計算

3.1 有限元模型的建立

有限元將連續的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個單元內假設的近似函數來分片表示求解域上待求的未知場函數，近似函數通常由未知場函數及其導數在單元各節點的數值插值函數來表達。從而使一個連續的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。隨著計算機技術的快速發展和普及，有限元方法在工程領域的應用越來越普遍，已成為一種應用廣泛、實用高效的數值分析方法。有限元法求解問題的基本過程主要包括分析對象的離散化、有限元求解、計算結果的后處理三部分。

Midas Civil軟件是一款主要針對橋梁結構分析與設計的有限元軟件，在國內擁有大量的用戶群，工程應用較為廣泛。為了準確計算上部結構的恒載和活載，以便對左幅橋3#墩進行承載力和抗裂計算。利用Midas Civil 有限元軟件建立上部結構5×30 m 連續箱梁空間有限元模型，如圖2 所示。根據設計支座布置，采用彈性連接和一般支撐模擬支座邊界。根據設計車道數和位置建立車道作用線，并建立車道荷載模擬汽車荷載作用。

圖2 5×30 m連續箱梁空間有限元模型

3.2 橋梁支座反力的結果

公路橋梁設計應考慮結構上可能同時出現的作用，按承載能力極限狀態、正常使用極限狀態進行作用組合，取其最不利組合效應進行設計。根據規范要求［7-8］，分別按承載能力極限狀態基本組合、正常使用極限狀態頻遇組合計算，得出橋梁3#墩支座反力見表1。由于3#墩為5×30 m 連續橋梁的中墩，按最不利情況，支座按縱向固定考慮，計算整聯支座反力如圖3所示。

圖3 支座在最不利荷載下的反力（單位：kN）

表1 3#墩在各荷載組合下的支座反力

4 橋墩的承載力和抗裂驗算

4.1 3#墩的受力計算

利用Midas Civil 有限元軟件建立3#墩蓋梁、立柱和樁基的有限元模型，并將上部結構荷載按支座位置施加于蓋梁上進行計算分析。參照地質勘察報告和地基規范［9］中土層力學參數設置土彈簧，考慮樁土相互作用。在3.2節中計算的支座反力和結構自重作用下，3#墩在最不利基本組合下立柱最大彎矩為-3 005.0 kN，最大軸力為-6 562.1 kN，最不利基本組合下橋墩受力見圖4；3#墩在最不利頻遇組合下立柱最大彎矩為-1 502.7 kN，最大軸力為-4 885.0 kN。

圖4 最不利基本組合下橋墩受力圖示

4.2 墩柱截面強度驗算

柱底截面為受力最不利截面，根據4.1 節橋墩受力計算結果，并考慮橋墩傾斜偏位產生的附加彎矩影響，對于偏位值較大的3-1#立柱計算柱底截面受力見表2。根據橋墩立柱設計混凝土強度、柱底截面配筋布置和其他設計參數，按規范［7］計算柱底截面抗力承載力受力見表3。3-1#立柱截面抗力Mj=9 247.90 kN·m＞計算彎矩M=3 208.43 kN·m，抗力Nj=18 914.43 kN＞計算軸壓力N=6 562.10 kN，墩身截面強度滿足要求，且承載力仍有較大富余。

表2 3-1#立柱墩底受力計算結果

表3 3-1#立柱墩底截面抗力驗算結果

4.3 墩柱截面抗裂驗算

根據橋梁圖紙截面配筋，按最不利荷載組合對3-1#立柱截面強度和裂縫寬度進行驗算，橋涵所處環境類別為Ⅱ類，裂縫寬度限值為0.2 mm。由表4中裂縫寬度驗算結果可知：3-1#立柱計算裂縫寬度0.036 0 mm＜裂縫寬度限值0.20 mm，墩身計算裂縫寬度滿足要求。

表4 3-1#立柱墩底截面裂縫寬度驗算結果

5 結語

橋墩主要作用是承受上部結構傳來的荷載，并通過基礎將荷載及本身自重傳遞到地基上。因此，橋墩是橋梁的主要受力構件，其受力安全對橋梁結構至關重要，在施工過程中應嚴格控制施工質量。當出現施工誤差造成墩身傾斜時，應及時對橋墩垂直度進行檢測，評估其對橋梁結構造成的不利影響，判斷結構承載能力和抗裂性能是否滿足設計要求。本研究以某跨徑組合為5×30 m 預應力混凝土箱梁橋為工程背景，采用無接觸橋梁立柱偏心測量法對出現偏位的3#橋墩進行垂直度檢測。依據檢測數據，結合規范要求采用有限元計算分析方法，對橋墩承載能力和抗裂性能進行了評估分析。結果表明，對于高6.274 m 的圓柱形墩身立柱，在垂直度4.96‰時，墩身截面強度和抗裂能力仍能滿足設計要求，且承載力仍有較大富余。偏位后的橋墩仍能滿足正常使用要求。