中交第二公路勘察设计研究院有限公司 湖北武汉 430056
摘要：某高速公路主线桥由于施工不当，造成该桥3#桥墩初始偏位，使3#墩柱形成偏心受压。根据现场调查及测量，运用有限元分析软件Midas分别对该桥墩在无初始偏位和有初始偏位两种情况下进行计算分析，并结合计算结果和工程经验，对3#墩制定了加固处治方案：采用外包钢套管-自密实混凝土加固法对其整体加固。该桥后期运营效果良好，可为今后同类项目提供一定参考。
关键词：柔性高墩；初始偏位；加固处治；钢套管
空心薄壁墩因其抗扭刚度大，稳定性好，广泛应用于各类高墩桥梁。近年来，随着国家大力推进基础设施建设，大型基建项目纷纷落地。为了地方发展需要以及控制项目成本，项目大多工期紧凑，而各地区施工单位的施工技术、工艺又参差不齐，施工质量难以有效控制。特别是在施工纵坡较大的柔性高墩时，因施工测量误差造成桥墩偏位的情况时有发生。
本文结合某高速公路主线桥初始偏位柔性高墩的工程实例，运用有限元对该桥的偏位情况进行模拟并计算分析；基于有初始偏位和无初始偏位两种情况下桥墩结构受力的对比分析结果，对初始偏位墩柱结构的安全性进行评估，并给出了偏位墩柱的加固处治方案，为其他类似项目的设计和施工提供参考。
1 工程概况
1.1 桥梁概况
隶属于某省级高速公路某主线桥梁工程，平面位于直线段上，纵面位于-2.2%的下坡路段及R=20000m凹曲线上。全桥共两联，桥跨组合：4×40+3×40m。上部构造为40m标准跨径装配式预应力箱形梁，先简支后结构连续（固结）体系；下部构造：1、2、6#墩采用双圆柱式墩配圆桩基础、3～5#墩采用空心薄壁墩配群桩基础；0#桥台采用肋板台配桩基础、7#桥台采用桩柱式台。桥梁上跨河川，桥位处区域地震动峰值加速度0.05g，桥梁简易设防（如图1所示）。
图1 桥型布置图
1.2 偏位情况
该桥梁工程在二期铺装施工完成后，养护检测机构对桥梁结构进行检测时，发现其左幅三号墩柱呈初始弯曲状态（如图3所示）。经现场调查并与施工方沟通后了解，该墩局部范围呈初始弯曲的情况系施工时放线误差造成。由测量人员现场实测数据显示：左幅三号墩墩顶处横桥向偏位6.3公分，顺桥向偏位7.7公分；最大偏位发生在2/3墩高的位置，横桥向最大偏位20.6公分，顺桥向最大偏位24.6公分，已构成偏心受压。
2 结构计算
2.1 计算内容
在发现该桥墩偏位情况后，项目部立即组织人员对该桥盖梁、墩柱、梁底等部位进行了定期外观检测，均未发现裂缝及其他病害情况出现。鉴于该桥梁已经建成，为了避免工程浪费和延长通车时间所带来的经济和社会效益损失，利用有限元软件对其进行计算分析，以验证该桥墩在初始偏位的情况下是否能满足设计要求，并在保证结构安全的情况下继续投入使用。
为了验算墩柱偏位对承载能力的影响关系，本文采用有限元软件MIDAS CIVIL 2015（8.2.1），根据设计图纸及实测资料对全桥分别按3#墩有初始偏位和3#墩无初始偏位两种情况建立有限元模型，进行对比分析。
2.2 计算说明
1）计算模型的建立。由于发生初始偏位时，桥梁已建成，模型直接考虑运营阶段的受力情况；计算中采用M法进行桩土模拟，以考虑基础水平位移作用；支座处采用线弹簧模拟；考虑恒载、风载、汽车荷载、汽车制动力、温度力及墩顶初始位移等因素，对3#墩柱（有初始偏位）按钢筋混凝土偏心受压构件计算。控制截面根据实测资料沿3#墩墩高方向共取70个（如图4），对控制截面分别进行承载能力极限状态验算和正常使用极限状态裂缝宽度验算，并对结果进行对比分析。验算过程中，除墩柱偏位采用测量数据值外，其余参数如混凝土强度、配筋、桥墩尺寸、钢筋保护层厚度等均采用规范值或设计值。
2）墩柱计算长度及计算长度系数的取值。由于3#墩为薄壁空心墩，按规范中给出的稳定性系数计算公式算得：稳定系数η=0.92，对于空心截面，取值偏小。本计算通过对模型进行屈曲分析得其临界荷载，再用欧拉公式反算出桥墩稳定系数的方法求得η：
经计算，3号墩第一阶失稳为纵向失稳，临界荷载为Fcr=1195951 kN，C40混凝土弹性模量为3.25×104 MPa，桥墩的截面惯性矩为
，由欧拉公式
。考虑3#墩墩顶固结及相邻墩柱提供侧向刚度的影响因素，η值乘以1.1倍的安全系数得η=1.08×1.1=1.188，取整得η=1.2，理论上偏安全；
3）重力二阶（P-Delta）效应。桥梁初始施工偏位较大，在较大的初始偏心作用及附加弯矩作用下，受混凝土收缩徐变的影响，墩柱的偏位可能有进一步加大的趋势，给桥梁带来安全隐患。对于此类墩柱偏位，荷载效应和墩柱位移成非线性关系，存在一定的增大效应。模拟分析时，使用软件的P-Delta分析功能将自重、二期荷载等恒载所产生的重力二阶（P-Delta）效应，反映在最终的计算结果中。但由于目前主流有限元分析软件如MIDAS CIVIL、桥梁博士等，在考虑非线性分析时作用有限，因而本计算所得结果与实际情况仍存在一定偏差。
2.3 计算结果及分析
对两种模型分别进行柱的抗压承载能力验算和使用阶段柱的抗裂验算。结果显示：在施加初始偏位，按偏心受压构件计算的3#墩正截面抗压承载力满足现行规范要求，但承载力富裕度已较无初始偏位时出现明显降低；裂缝宽度同样逼近规范要求的容许限值。具体情况如下：
图7 不同荷载情况下初始弯曲墩柱截面承载力下降幅度
由上表可知，偏心受压验算中，在不同荷载情况下：轴力最小时（a）、主弯矩最大时（b）、主弯矩最小时（c），初始偏位墩柱的计算截面最小承载力较无偏位情况在墩顶、墩底和偏位弯曲段降低明显。说明由初始偏位导致的偏心受压，对墩柱结构承载能力的影响是十分明显的。特别是在空心薄壁墩这类柔性高墩中，当弯矩为主要作用时，下降幅度更加显著。
由于高墩桥梁恒载及自重产生的P-Delta效应已不可忽略，而现有的有限元分析软件还不能有效考虑这一效应的影响。因而，即使计算结果满足规范要求，仍然有必要采取措施，以防止在P-Delta效应的作用下，墩柱的偏位进一步增大。
2.3.2 柱的抗裂验算
桥墩的抗裂验算根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》进行计算。结果如下表：
表1 初始弯曲墩与正常状况下裂缝宽度对比
通过两模型的对比分析，由上表知，3#墩（初始偏位）墩底处裂缝宽度出现较为明显的增大，达0.195mm，已逼近规范要求的允许裂缝宽度限值0.2mm；受拉区钢筋应力亦有一定程度的增大。同样，在考虑P-Delta效应的作用下，应采取加强墩底截面刚度的措施予以防范。
3 加固及处治措施
3.1 桥墩加固方案
根据计算结果，该桥目前虽仍能正常运营，但由施工导致的初始偏位产生了次内力，使3#墩受力状况变为偏心受压，削弱了其极限承载力。在较大的初始偏心作用及附加弯矩作用下，受混凝土收缩徐变的影响，墩柱的偏位可能有进一步加大的趋势，给桥梁带来安全隐患。且荷载效应和墩柱位移成非线性关系，存在一定的增大效应。故需对3#墩采取结构加固措施。
由于3#墩墩身初始弯曲，产生偏心受压导致承载力下降，且桥墩墩底处计算裂缝宽度已趋于规范容许临界值，因而对其墩身和墩底采用加大截面法加固。因墩柱沿墩高方向大部分存在偏位，故采用20mm厚钢套筒整体外包墩柱。
具体实施方案：凿毛3#墩墩柱及承台顶表面混凝土，涂抹界面胶，并按80cm间距植入φ20钢筋。沿薄壁墩墩底壁外25cm处设置钢套筒，套筒与墩壁间用C40自密实混凝土浇筑填充。钢套筒向上拼装时，始终保持铅垂，由实测数据显示，3#墩的最大顺桥向和横桥向偏位均小于25cm，故套筒可将原3#墩包络在内。为避免上部结构荷载直接传递至钢套筒，致使钢套筒产生局部应力集中，钢套筒高度按低于墩高1～2m控制，取整数。沿墩高方向，每2m设置一道20mm厚加劲肋板，角焊缝连接，以加强钢套筒横向联系。
为加强墩底刚度、固定钢套筒以及防止钢套筒锈蚀，在承台顶面及墩底以上4m范围内，采用25公分C25混凝土护壁包裹钢套筒和承台顶面。
图8对3#墩采用外包钢套筒方案
3.2 桥墩加固受力分析
在钢套筒-自密实混凝土加固法中，钢套筒与核心混凝土组合形成类似于钢管混凝土的结构，既各自发挥作用又协同工作。充分发挥两种材料的优点，并克服钢管易产生局部屈曲的缺点，显著提高了墩柱的承载力及结构延性。
按卢亦焱[3]等研究的计算方法：在不考虑不同材料间相互作用的情况下，加固结构柱理论承载力可表达为：
N0=fyAy+fc1Ac1+fc2Ac2+ftyAty
式中：Ay、Ac1、Ac2、Aty和fy、fc1、fc2、fty分别为原结构柱钢筋、原结构柱混凝土、钢套筒内壁填筑混凝土、钢套筒的截面面积和轴心抗压强度；
从上式及卢亦焱[3]等的研究分析得出的加固理论可知，钢套筒为墩柱新旧混凝土提供了有效的横向约束，使墩柱处于有利的三向受力状态。按上式叠加计算得出的理论承载力，未考虑钢套筒、填筑混凝土与原结构柱之间的协同工作效益，故实际承载力更大。
由前述计算分析结果，墩柱结构承载力及容许裂缝宽度值均已满足规范要求。因加固结构受力状况复杂，本文仅作出理论分析。采用钢套筒-自密实混凝土加固法对原结构加固后，根据以往项目及试验经验，一般能提高50%左右承载力。相较于因墩柱初始偏位导致的承载力下降值，已偏安全。
3.3 运营阶段处治措施
① 定期组织养护人员现场观测墩柱关键部位裂缝情况；
② 每隔两年对外包钢套筒进行防锈蚀处理，涂抹防水涂料，避免钢套筒锈蚀致承载力下降。
4 结语
本文对一座有初始偏位的柔性高墩桥梁进行了仿真模拟分析，并与无初始偏位的情况进行了对比，得出由于偏位作用致使其承载力安全储备和桥墩耐久性较原设计降低的结果。计算中虽考虑了自重、二期荷载等恒载所产生重力二阶效应（P-Delta）的影响，但由于软件功能限制，未能充分考虑墩柱偏位所产生的非线性影响，故所得计算结果与实际情况尚存一定偏差。基于结构安全考虑，并结合计算结果给出了桥墩加固方案及处治措施，可为类似工程项目提供借鉴。
参考文献：
[1]JTG D60-2015，公路桥涵设计通用规范[S]
[2]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 [S]
[3]卢亦焱，龚田牛，张学朋等.2013.外套钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土圆形截面短柱轴压性能试验研究[J].建筑结构学报.34（6）：121-128.
[4]蔡静.2016.大纵坡桥梁桥墩纵向偏位处治研究[J].湖南交通科技.42（3）：134-137.
作者简介：张昌曜，男，硕士，助理工程师。E-mail：zcy1023@qq.com
论文作者:张昌曜,朱学恒
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第22期
论文发表时间:2018/2/26
标签：套筒论文; 桥墩论文; 承载力论文; 混凝土论文; 结构论文; 截面论文; 荷载论文; 《建筑科技》2017年第22期论文;