桥周堆载对桥梁安全运营的影响

2023-05-19周星宇

运输经理世界 2023年3期

周星宇

（上海同丰工程咨询有限公司，上海 200444）

0 引言

近年来，我国经济发展速度不断提升，公路桥梁得到较快发展。截至2020 年底，全国已建成各类公路桥梁约91.28 万座，桥梁总里程更是达到6.6 万km。其中，沪苏通长江公路大桥、港珠澳大桥等各类复杂桥梁的顺利建设，表明我国公路桥梁事业在桥梁规模、桥梁设计方法及桥梁施工控制技术等方面均取得了长足的进步。目前，我国既有公路桥梁存在老旧桥梁多、危桥规模大、荷载标准低的特点，大量桥梁将面临加固改造的问题。同时，桥梁周边环境发生变化，也将不可避免地对桥梁运营安全产生巨大的影响，其中，桥位附近堆载对桥梁造成的次生病害，是近年来研究发现的危及桥梁安全的突出原因。若桥梁处于软弱地基环境，邻近环境堆载不仅会使桥梁下部结构发生异常变位，进而造成上部结构次内力的产生，严重者可能发生落梁事故，对桥梁的安全运营构成了严重威胁[1]。

关于堆载对桥梁的影响，国内外已有部分研究，WENZ 等人研究了堆载对桥梁下部结构的影响，通过现场试验得出了堆载会使下部结构周边土体地基发生流动并使桩基产生结构变位的结论[2-3]。梁育玮等人通过有限元分析，得到了堆载高度和距离对桥梁的影响[4]。研究以山西省阳泉市学院路桥为例，通过对该桥进行专项检测，详细分析阐述桥位附近堆载对桥梁安全运营的影响。

1 工程概况及背景

阳泉市学院路桥位于阳泉市学院路，为一座偏南北走向的8 跨简支预应力钢筋混凝土T 梁桥，该桥为正交桥梁。桥梁总长240m，跨径组合为8×30m。该桥上部结构每跨均由5 片预应力钢筋混凝土T 梁组成，下部结构采用肋板式桥台，基础采用桩基础；桥墩采用柱式桥墩，墩身为钢筋混凝土圆形立柱，4#、5#桥墩基础采用扩大基础，其他桥墩基础采用混凝土钻孔灌注桩。

2020 年3 月至6 月，某施工单位对该桥北端桥台至北起4#桥墩之间进行高填土摊铺碾压工作，填筑高度大约20m，东侧超出桥墩外大约5m，然后按1∶2 放坡，北侧3#墩往北5m，然后按1∶2 放坡。为减少填土工作对桥梁影响，2020 年7 月24 日，相关单位对高填土11 个孔进行注浆，孔深22m，注浆期间连续下雨。2020 年8 月，管养单位在巡查中发现学院路桥北起2#桥墩限位块存在开裂、破损现象，初步调查后发现桥梁存在向北的变位。为确保桥梁运营安全，管养单位及时对该桥采取了限行、限载措施，并对高填土进行了卸载，并对该桥展开专项检测。

为便于说明，墩台由南向北依次编号，主梁由西向东依次编号。

2 受堆土施工直接影响而产生的表观缺陷调查

结合该桥资料及现场调查结果可知，堆土主要影响该桥第1 跨～第4 跨。以桥检车、登高车为平台对上述4 跨桥梁上、下部结构进行详细检查后发现，堆土主要对该桥1#～3#桥墩下部结构（含挡块、支座等）产生了较大的影响，具体病害如下：

第一，该桥1#桥墩上方支座未见明显滑动痕迹，而2#、3#桥墩上方板式橡胶支座顶面与T 梁间产生了明显的滑动痕迹。2#桥墩上方板式橡胶支座相对于T 梁顺桥向向北产生了40～110mm、横桥向向东产生了30～60mm 的滑动距离；3#桥墩上方板式橡胶支座相对于T 梁顺桥向向北产生了31～68mm、横桥向东产生了28～42mm 的滑动距离。板式橡胶支座底面和支座垫石接合处未见明显滑动。

第二，该桥1#～3#桥墩上方限位挡块混凝土开裂破损，局部还伴有盖梁劈裂、破损现象，主要分为两种情况：其一，横隔板与限位块顶死，限位块混凝土开裂、破损；其二，T 梁腹板与限位块顶死，限位块混凝土开裂、破损。

第三，该桥2#桥墩系梁近2—2#桥墩立柱处系梁南、北侧面及顶面存在贯通裂缝，侧面裂缝最大宽度为1.12mm，顶面裂缝最大宽度为1.00mm；3#桥墩系梁近3—2#桥墩立柱处系梁南、北侧面均出现斜向裂缝，裂缝未延伸到系梁顶面，裂缝最大宽度为0.10mm。上述裂缝基本呈对称分布状态。

第四，该桥2#桥墩盖梁西侧面盖梁中心与梁端中心存在110mm 的偏位。

为进一步确定病害产生原因，相关单位对该桥进行了桥梁结构变位检测。

3 桥梁结构变位检测结果

采用全站仪等高精密仪器，检测单位重点对桥墩偏位及竖直度、桥跨间净距等参数进行了测量。经综合分析可知，2#、3#桥墩存在明显的向北和向东的偏位，见图1；2#桥墩偏位最大，顺桥向向北产生了103.5mm 的偏位，横桥向向东产生了60.5mm 的偏位；3#桥墩最大顺桥向向北产生了69.0mm 的偏位，横桥向向东产生了39.5mm 的偏位。

图1 1#～3#桥墩立柱纵桥向和横桥向偏移距离示意图（单位：mm）

4 病害原因分析

上述病害产生的原因主要是由于1#～4#桥墩范围内高填土的摊铺碾压及钻孔注浆施工，导致桥墩排架立柱受到较大的水平土压力差，桥墩整体（其中以2#桥墩最为明显）发生了向东和向北的变位，导致桥墩T 梁腹板和桥墩限位块、横隔板与桥墩限位块顶死而开裂破损，桥墩系梁和立柱接合处受扭而开裂。

5 桥梁有限元分析结果

为了评估堆载作用对桥梁承载能力的影响，采用有限元软件对该桥上、下部结构进行了分析，为保证检算结果能真实反映结构实际状况，模型部分参数采用现场检测真实值[5]。

5.1 桥墩排架立柱有限元分析结果

由检查结果可知，2#桥墩顺桥向向北最大偏位值为103.5mm，横桥向向东最大偏位值为60.5mm；3#桥墩顺桥向向北最大偏位值为69.0mm，横桥向向东最大偏位值为39.5mm。由于偏位数据较大，且土体部分卸载后桥墩未完全回弹至原始状态，桥墩立柱与桥台接合处可能存在一定程度的损伤。此次主要依靠检算来进行模拟分析，并以此评估桥墩立柱的承载能力。

采用Midas Civil 2019 计算软件建立桥墩立柱计算模型，见图2。检算模型中模拟桥梁墩立柱顺桥向两侧水平土压力差致使桥墩立柱产生顺桥向偏位103.5mm 和69.0mm，由此评估2#、3#桥墩立柱承载力是否满足安全承载要求，计算结果表明，2#桥墩立柱根部弯矩组合值为9295kN·m，不满足2795kN·m抗力要求；2#桥墩立柱根部弯矩组合值5976kN·m，不满足4760kN·m 抗力要求。

图2 桥墩立柱计算模型

由检算结果可以看出，在假设的计算图式下，2#、3#桥墩立柱根部承载能力远不能满足目前的安全承载要求。由于客观条件限制，无法直接观察立柱根部的现状，根据评估结果可推断，桥墩立柱根部区域极有可能已开裂，桥墩立柱结构已发生不可逆转的结构性损伤[6]。

5.2 上部结构主梁承载能力检算

采用桥梁专业有限元软件桥梁博士3.6，建立该桥上部结构有限元模型，检算荷载包括恒载和活载，恒载包括主梁、桥面铺装及栏杆等附属设施的自重，此次检算活载主要指车道荷载及人群荷载等，该桥设计荷载等级为汽车-20 级、挂车-100 级，人群荷载取3.0kN/m2。检算对象包括30.0mT 梁承载能力极限状态抗弯、抗剪强度验算；正常使用极限状态应力、刚度验算。

5.2.1 正截面抗弯强度检算

根据承载能力检算判式，T 梁跨中截面弯矩最不利组合计算值分别为6370kN·M（边梁）和5660kN·M（中梁），可以满足原设计汽车-20 级（包含人群荷载-3.0kN/m2）、挂车-100 荷载的安全承载要求。

5.2.2 梁端斜截面抗剪强度检算

检算选取T 梁距支座中心h/2 处斜截面进行抗剪承载能力检算，根据承载能力检算判断，该桥T 梁斜截面最大剪力组合值分别为741kN 和673kN，均能够满足原设计汽车-20 级（含人群荷载-3.0kN/m2）、挂车-100 荷载的安全承载要求。

5.2.3 正常使用极限状态应力检算

在正常使用状态下，T 梁跨中正截面处下缘混凝土应力验算结果如下：

边梁：0.15MPa（汽车）、-1.17MPa（挂车）。

中梁：1.73MPa（汽车）、0.79MPa（挂车）。

计算结果表明，目前，T 梁跨中截面在原设计汽车-20 级（含人群荷载-3.0kN/m2）、挂车-100 荷载作用下应力计算结果满足规范规定的预应力混凝土构件应力验算要求。

5.2.4 竖向刚度检算

此次检算采用的是原设计汽车-20 级（人群荷载-3.0kN/m2）、挂车-100 级静活载作为刚度检算荷载，该桥T 梁跨中最大挠度计算结果如下：

边梁：14.99mm（汽车）、19.91mm（挂车）。