梅俊伟，张建龙，田野野

（长安大学，陕西 西安 710064）

近年来，随着跨河桥梁使用年限的增加，跨河旧桥的冲刷现象也越来越普遍，冲刷导致部分埋于地下的桩基裸露于地面之上，使裸露桩基作为墩柱的一部分而承担着墩柱的受力，对桩基的受力情况进行研究很有必要。文献［1］中仅对桥墩顺桥向水平力的分配计算方法作出了研究；文献［2］中对桥梁桩基冲刷病害的加固维修技术进行探讨，对类似桥梁冲刷基础的维修加固设计具有一定的借鉴意义。桥墩冲刷是一个复杂的问题，受到各种因素的影响，本文对冲刷裸露桩柱的受力进行分析，以期为类似工程的设计与维护加固提供参考。

1 工程概况

渭河某大桥地处渭河流域，主桥为单跨跨径30 m的连续梁，其中某一联为5跨共长150 m的连续梁,桥面宽18 m，双向4车道。采用板式橡胶支座，横桥向一排布置12块，支座摩擦系数μ=0.2［3］。桥墩采用三柱式C25混凝土墩柱，每柱为直径1.2 m的圆形柱。基础为3根直径1.5 m的钻孔灌注桩，采用C20的混凝土，桩顶设有断面为1.0 m×0.8 m的矩形横系梁。

该地最大降温为30 ℃，混凝土收缩按降温15 ℃考虑，则温度变化Δt=30+15=45 ℃，线膨胀系数取α=0.000 01 ℃-1。

由于该联冲刷最为严重，故选取该联作为研究对象，冲刷深度及冲刷后墩高如表1所示，该联整体现状如图1所示。

表1 各桥墩桩基冲刷深度及冲刷后墩高 m

图1 某连续梁桥一联现状图

2 桥墩顺桥向水平力的计算

2.1 墩顶支反力的计算［4］

利用桥梁有限元软件对该联上部结构进行建模分析，模型如图2所示。

图2 某连续梁桥一联上部结构模型图

由此可得各桥墩一排支座支反力之和，由于边界的模拟和实际的约束并不能达到完全的一致，故对每个桥墩的支反力通过纵桥向取平均进行修正，结果如表2所示。

表2 某连续梁桥一联各墩墩顶支反力 kN

2.2 顺桥向水平力的计算［5］

连续梁桥墩墩顶顺桥向水平力考虑墩梁共同作用的计算应按收缩徐变、温度变化、制动力的顺序进行,在计算中需判断活动支座是否滑动，在支座滑动后,应按该墩推出共同作用而重新计算，直至与计算体系一样［1］，计算原理及流程详见参考文献［1］。

（1）由于该桥采用桩柱式桥墩，故按照《公路桥涵地基与基础规范》（JTG D63—2007）计算：

式中各符号的意义详见《公路桥涵地基与基础规范》（JTG D63—2007）。

板式橡胶支座的支座刚度按：K支=nAG/te计算，其中，n为一排支座个数，此处n取12；A为支座的平面面积，此处A取0.105 m2；G为橡胶的剪切模量，此处取1.0 MPa；te为支座的橡胶层厚度，通过查阅公路桥梁板式橡胶支座产品规格可知，此处te取45 mm。

每个桥墩组合抗推刚度：

该联各墩组合抗推刚度计算结果如表3所示。

表3 各墩组合抗推刚度计算结果 kN·m-1

（2）计算连续梁该联总的制动力，按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60 —2004）进行计算。单个车道汽车荷载为：10.5×150+（30-5）/（50-5）×（360-180）+180=760 kN。由于760×10%=76 kN＜165 kN,故单个车道制动力取165 kN。同向行驶双车道总的汽车制动力：T=165×2=330 kN。

（3）根据各墩的组合抗推刚度占总的组合抗推刚度的比例，进行第一次制动力的分配。

（4）温度变化产生的作用力计算首先要找到温度变化时梁中不动点的位置，由于本联桥为对称结构，则不动点位于连续梁跨中处，各墩距不动点的距离ΔLi便可得到；然后假设所有支座和梁体没有滑动，则i桥墩分得的水平力为：

式中：ΔLi为i桥墩到不动点的距离；Ki为桥墩抗推钢筋；α为膨胀系数；Δt为升（降）温差。

按照刚度和距离进行温度力的第一次分配计算。

（5）结果每个桥墩的制动力和温度力均小于其支座摩阻力。判断二者之和是否超过支座摩阻力，当二者之和小于支座摩阻力时，桥墩顺桥向水平力组合取该二者之和，否则取支座摩阻力。计算结果如表4所示。

3 冲刷裸露桩基的受力分析

由于10号墩冲刷最为严重，故取第10号墩作为研究对象，通过桥梁有限元软件对桥墩进行建模分析，第10号墩模型如图3所示。

3.1 墩顶顺桥向水平力作用下受冲刷裸露桩基的应力分析

该联第10号墩桩基冲刷深度为8.5 m,计算所得其墩顶分配的顺桥向水平力为144.1 kN，将该顺桥向墩顶水平力加载在桥墩墩顶，查看该冲刷出的8.5 m的桩柱的应力分布如图4、图5所示。

表4 各墩墩顶水平力计算结果汇总

图3 第10号墩结构模型图

图4 第10号墩墩柱及桩柱应力整体分布图

图5 第10号墩桩柱河床冲刷线附近应力分布图

由图4可知，由于桥墩横系梁的作用导致应力分布在横系梁处发生应力重新分布，使应力相对减小到某一个较小的值，即冲刷裸露桩柱在顺桥向墩顶水平力作用下，裸露桩柱应力（这里是指与水平力作用方向相反的一侧的应力）从某一个相对较小的值开始变化，随着冲刷深度的增加而增大。

由图5可知，冲刷裸露桩柱的应力到达河床冲刷线附近时达到最大，然后随着桩柱埋入地下深度的增加而迅速地减小，当桩柱埋入地下6.5 m时应力值几乎可以忽略；但桩柱应力在地面以下2.5 m深度范围内应力值均很大（接近于最大应力值）。

由于河流的长期冲刷作用，导致裸露桩柱局部混凝土剥落、混凝土强度损伤、露筋及钢筋锈蚀等现象较为普遍，这部分裸露桩基在应力（墩顶顺桥向水平力作用下产生的）作用下很脆弱，最容易发生破坏，因此需要对其进行加固处理。

3.2 墩顶顺桥向水平力作用下冲刷裸露桩基的墩底弯矩分析

以第10号墩作为研究对象，通过对其设置不同的冲刷深度0 m、2 m、4 m、6 m、8.5 m、10 m，查看墩底（此处墩底是指冲刷后桩柱与河床冲刷线相交的位置，以下“墩底”意义与该处相同）的弯矩变化情况。

（1）不同冲刷深度对应桥墩的组合抗推刚度是不同的，桥墩所分配的墩顶水平力也是不同的。对于第10号墩，不同冲刷深度所分配的墩顶水平力计算过程见上文，其计算结果如表5所示。

图6 第10号墩冲刷4 m时桥墩弯矩分布图

由此可知，随着冲刷深度的增加，桥墩高度在增大，桥墩的组合抗推刚度在减小，桥墩墩顶承担的水平力也随之减小。

（2）利用桥梁有限元软件进行建模，根据规范采用m法模拟桩土效应从而设置不同的冲刷深度，加载上述计算所得的对应冲刷深度墩顶承担的水平力。第10号墩冲刷4 m和8.5 m时弯矩分布图分别如图6和图7所示。第10号墩设置不同冲刷深度时计算所得冲刷后墩底弯矩值如表6所示。

由以上结果分析可知，随着冲刷深度的增加，墩底弯矩随之减小，但是墩底弯矩减小的速度不如桥墩冲刷深度增加的速度快，即随着冲刷深度的增加，墩底弯矩值减小幅度不大。桥墩边柱和中柱墩底弯矩值随着冲刷深度的增加，两者的差值也在随之减小，当冲刷深度达到桩基长度的1/15左右时，两者趋于相同。

图7 第10号墩冲刷8.5 m时桥墩弯矩分布图

表6 第10号墩不同冲刷深度所对应墩底弯矩

4 结论

（1）通过冲刷后墩底应力分析可知，由于河流冲刷作用导致裸露桩柱混凝土强度损伤，并且这部分冲刷裸露桩柱失去了周围土介质的约束作用而作为桥墩墩柱的一部分承担着桥墩墩柱的受力，墩顶顺桥向水平力的作用下使冲刷裸露桩柱顺桥向两侧分别承受较大拉应力和压应力，因此该部分桩柱最容易出现开裂，也是最先发生破坏的部分。

加大截面加固法可以提高构件抗拉、抗剪等能力，同时也可以用来修复已经损伤的混凝土截面、提高其耐久性［6］，因此对受冲刷的桩柱进行加固处理时，建议采用加大截面加固法。

（2）通过冲刷后墩底弯矩分析可知，随着冲刷深度的增加，墩底弯矩值有所减小，但是减小幅度不大。桥墩边柱和中柱墩底弯矩值随着冲刷深度的增加，两者的差值也在随之减小，当冲刷深度达到桩基长度的1/15左右时，两者趋于相同。

冲刷前墩底地系梁把各墩柱连在一起使其共同受力，有助于各墩柱共同抵抗墩底弯矩；冲刷后地系梁不再位于墩底，随着冲刷深度的增加，地系梁的作用越来越小，当冲刷深度达到桩基长度的1/15左右时，地系梁的作用已可以忽略。因此对于冲刷达到一定深度的桥墩，建议在墩底加设新桩基和承台结构，这样不仅提高了下部结构的承载能力，也有助于各墩柱共同抵抗墩底弯矩从而提高了桥墩的整体受力性能。

［1］温超，李楠.桥墩顺桥向水平力分配计算［J］.交通科技，2009（S1）：23-26.

［2］黎泰良.桥墩桩基冲刷病害加固设计研究［J］.福建建筑，2012（7）:60-63.

［3］JTG D63—2007公路桥涵地基与基础规范［S］.

［4］范立础.桥梁工程［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］ JT/T 663—2006公路桥梁板式橡胶支座规格系列［S］.

［6］范云.损伤桥墩承载力数值模拟分析［D］.大连：大连海事大学，2008.