預(yù)應(yīng)力鋼絞線對橋臺的加固方法
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。兩岸橋臺均采用重力式U型橋臺，小石子片石、外鑲嵌90cm厚粗料石。橋臺高27.916m，順橋向長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，橋臺病害就發(fā)生在該橋臺上。
雙岸橋臺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，因此僅在臺內(nèi)回填土，而兩側(cè)錐坡沒有同時(shí)填筑，當(dāng)臺背回填至橋臺頂面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內(nèi)填土，直到裂縫劇增后才停止。
上述橋臺的特點(diǎn)是，橋臺寬度大，為24m，同時(shí)橋臺高度大，為27.916m。橋臺開裂的特征是在橋臺臺內(nèi)填土過程中出現(xiàn)開裂，并且裂縫發(fā)展迅速?？梢?，臺內(nèi)填土對橋臺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；橋臺的墻背與臺內(nèi)填料的摩擦角均取 ，并假定臺內(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)對模型計(jì)算的影響。
2.2土壓力計(jì)算
橋臺側(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高度約1/3處，橋臺8m處。橋臺采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線對拉兩側(cè)墻的加固方法。
橋臺加固方案是通過對拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線來抵抗9m高的臺內(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)果對比
實(shí)際上，除了土壓力因素，橋臺的開裂原因都比較復(fù)雜，橋臺尺寸，地基的不均勻沉降，臺內(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，橋臺最大主應(yīng)力云圖比較
從圖3可以看出，橋臺加固后隅角處的應(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)力鋼絞線對拉兩側(cè)墻后，對整個(gè)橋臺的受力改變較大，特別是隅角處，大大降低了橋臺在此處的開裂機(jī)率。
3.2加固前后，橋臺最大變形云圖比較
(a) 加固前(b) 加固后
顯然，在橋臺對拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線后，橋臺兩側(cè)墻變形明顯收斂了很多，從加固前臺尾的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，有向臺前凸的趨勢。這種變化對側(cè)墻是有利的，但對前墻中部則不利。這一點(diǎn)應(yīng)在今后的加固過程中予以注意。
整個(gè)橋臺加固歷時(shí)3個(gè)月，從加固效果到現(xiàn)在，橋臺穩(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)力鋼絞線對拉兩側(cè)墻的加固方法，不僅可以改善橋臺的受力情況，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單，經(jīng)濟(jì)安全優(yōu)點(diǎn)。它既適用橋臺運(yùn)營前的預(yù)防性加固，也適用于橋臺出現(xiàn)病害后的加固，因此拉筋法是一種值得推廣的加固橋臺的有效方法。
