預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)橋臺(tái)的加固方法
2015-04-14 
   1 橋概況

   某大橋是一座凈跨 ,凈矢高 ,矢跨比1/4,拱軸系數(shù)m=1.756等高變寬空腹式石肋拱橋,主拱圈厚160cm。全橋設(shè)4條拱肋,兩條邊肋由380cm直線變化到260cm,中間兩條拱肋寬由500cm直線變化到260cm,寬度均從拱腳變化到第一個(gè)拱上橫墻。相鄰兩條拱肋用鋼筋混凝土框架式系梁連接,實(shí)腹段拱肋用粗料石拱波連接,腹拱段采用煤渣填料。設(shè)計(jì)荷載汽超-20,掛-120,人群3.0kN/m2,橋面寬度為凈15+2×3m人行道。兩岸橋臺(tái)均采用重力式U型橋臺(tái),小石子片石、外鑲嵌90cm厚粗料石。橋臺(tái)高27.916m,順橋向長(zhǎng)23.76m,寬24m,基礎(chǔ)直接布置在強(qiáng)風(fēng)化層上,厚度達(dá)11.09m,橋臺(tái)病害就發(fā)生在該橋臺(tái)上。

   雙岸橋臺(tái)開裂始于施工過程中,當(dāng)時(shí)由于工期影響和調(diào)配土方困難,因此僅在臺(tái)內(nèi)回填土,而兩側(cè)錐坡沒有同時(shí)填筑,當(dāng)臺(tái)背回填至橋臺(tái)頂面3.9m,在側(cè)墻與前墻相交部位的前墻處開始出現(xiàn)裂紋。裂縫出現(xiàn)過程:1997年6月發(fā)現(xiàn)有細(xì)微裂縫,同年7月6日粘貼玻璃,7月8日玻璃拉裂1mm,7月14日裂縫突然劇增為9.5mm。在出現(xiàn)裂縫初期沒有停止臺(tái)內(nèi)填土,直到裂縫劇增后才停止。

   上述橋臺(tái)的特點(diǎn)是,橋臺(tái)寬度大,為24m,同時(shí)橋臺(tái)高度大,為27.916m。橋臺(tái)開裂的特征是在橋臺(tái)臺(tái)內(nèi)填土過程中出現(xiàn)開裂,并且裂縫發(fā)展迅速??梢?,臺(tái)內(nèi)填土對(duì)橋臺(tái)的影響是十分顯著的,應(yīng)計(jì)入土壓力的影響。

   2 模型建立

   2.1基本模型

   橋臺(tái)模型為三維有限元模型,模型形狀及尺寸按實(shí)際比例1:1繪制。單元全部采用空間4結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元[1]。橋臺(tái)結(jié)構(gòu)物本構(gòu)關(guān)系全部采用各向同性線彈性,填土影響按土壓力考慮。整體有限元模型所受荷載類型及大小與平面理論計(jì)算部分相一致,荷載采用土壓力和車輛荷載的組合。考慮土壓力變化規(guī)律,將其以面荷載形式分別施加到前墻與側(cè)墻背面。

   橋的材料性能E=2.4e4MPa,泊松比ν=0.16,質(zhì)量密度m=2400kg/m3;橋臺(tái)的墻背與臺(tái)內(nèi)填料的摩擦角均取 ,并假定臺(tái)內(nèi)填土土質(zhì)是單一的和各向同性的,填料采用粘性土, ,內(nèi)摩擦角為 ;假定地基整體沉降已結(jié)束, 即不考慮地基變形影響,視地基為剛性,盡量消除邊界效應(yīng)對(duì)模型計(jì)算的影響。

   2.2土壓力計(jì)算

   橋臺(tái)側(cè)墻土壓力公式由

   確定,

   前墻土壓力計(jì)算均采用庫侖定理公式計(jì)算[2] [3] 。將實(shí)橋的相關(guān)參數(shù)輸入得:

   實(shí)橋:墻背與填料間摩擦角 ,墻背傾角 , =45.42o,b=22m,H=27.912m,代入上述公式后得, , , ,h1=58.522>27.912m(舍),h2=2.2494m(>0),故取。因此該橋側(cè)墻土壓力E=4300.15KN。

   2.3 加固措施

   由于橋臺(tái)加固屬于病害后加固,考慮實(shí)際施工的可操作性,決定將拉筋位置布置在橋臺(tái)高度約1/3處,橋臺(tái)8m處。橋臺(tái)采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)拉兩側(cè)墻的加固方法。

   橋臺(tái)加固方案是通過對(duì)拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線來抵抗9m高的臺(tái)內(nèi)填土及填土之上的汽車荷載(汽超-20)引起的水平土壓力。根據(jù)計(jì)算,采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線拉筋。拉筋布置在距側(cè)墻頂面5m,7m和9m處。第一排(5m處)拉筋每2m一束,共8束。每束拉筋由4根鋼絞線組成,共張拉400KN。第二排(7m處)拉筋每2m一束,共5束。每束拉筋由6鋼絞線組成,共張拉600KN。第三排(9m處)拉筋每2m一束,共4束。每束拉筋由6鋼絞線組成,共張拉600KN。

   3計(jì)算分析與結(jié)果對(duì)比

   實(shí)際上,除了土壓力因素,橋臺(tái)的開裂原因都比較復(fù)雜,橋臺(tái)尺寸,地基的不均勻沉降,臺(tái)內(nèi)回填的工序問題等等。但基于本文的研究中心,現(xiàn)僅從土壓力方面分析。

   3.1加固前后,橋臺(tái)最大主應(yīng)力云圖比較

   從圖3可以看出,橋臺(tái)加固后隅角處的應(yīng)力值有較大改善,加固后隅角處的最大主拉應(yīng)力值為1.71MPa,比加固前降低了66%;側(cè)墻翼尾墻踵處的最大主拉應(yīng)力值從1.28MPa降低到0.872MPa,比加固前降低了31.8%。可見,預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)拉兩側(cè)墻后,對(duì)整個(gè)橋臺(tái)的受力改變較大,特別是隅角處,大大降低了橋臺(tái)在此處的開裂機(jī)率。

   3.2加固前后,橋臺(tái)最大變形云圖比較

   (a) 加固前(b) 加固后

   顯然,在橋臺(tái)對(duì)拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線后,橋臺(tái)兩側(cè)墻變形明顯收斂了很多,從加固前臺(tái)尾的4.47cm減小到0.428cm,但是前墻中部的變形值增大了,從原來的0.596cm增大到1.1cm,有向臺(tái)前凸的趨勢(shì)。這種變化對(duì)側(cè)墻是有利的,但對(duì)前墻中部則不利。這一點(diǎn)應(yīng)在今后的加固過程中予以注意。

   整個(gè)橋臺(tái)加固歷時(shí)3個(gè)月,從加固效果到現(xiàn)在,橋臺(tái)穩(wěn)定,沒有新裂縫產(chǎn)生,原有的裂縫有不同程度的閉合,達(dá)到了加固的目的。

   4結(jié)論

   綜上所述,采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)拉兩側(cè)墻的加固方法,不僅可以改善橋臺(tái)的受力情況,還可以有效減小側(cè)墻翼尾頂部的最大變形值。雖然,它也有一些不足之處,但是比起其它加固方法,它還具有施工方便簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì)安全優(yōu)點(diǎn)。它既適用橋臺(tái)運(yùn)營(yíng)前的預(yù)防性加固,也適用于橋臺(tái)出現(xiàn)病害后的加固,因此拉筋法是一種值得推廣的加固橋臺(tái)的有效方法。
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