某公路U 型桥台病害原因分析及加固设计

刘 文 海

(1.太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原 030024;2.太原市城市建设管理中心，山西太原 030009)

1 工程概况

某公路桥上部采用7孔30 m预应力混凝土空心板，下部为单排三柱式冲孔灌注桩，桥台为M7.5砂浆砌片(块)石U型重力式桥台。该桥桥面宽度22.5 m，四车道设计，桥面横向布置为:2×1.75 m(人行道)+2 ×2.5 m(非机动车道)+4 ×3.5 m(机动车道)。该桥原设计荷载等级为汽—超20、挂—120。

2 病害现状及原因分析

2.1 病害现状

该桥目前的病害主要有:桥台侧墙镶面石普遍开裂;桥台前墙镶面石局部开裂，如图1所示。该桥台存在的开裂问题比较突出，裂缝发展不断加速，若不及时进行整治处理，桥台前墙有可能突然滑塌危及桥梁安全，引发安全事故。

图1 桥台开裂图

2.2 病害原因

根据原设计图纸，小里程侧桥台置于弱风化基岩上，大里程侧桥台置于砂砾石层中。现场踏勘结果表明:桥台基础比较稳定，无沉降等现象;小里程侧桥台开裂较大里程侧桥台严重，其裂缝走向也不符合基础沉降产生的裂缝特点。因此，初步排除桥台基础沉降这一原因。

经分析，桥台开裂原因可能如下:

1)根据原设计图纸计算，桥台前墙所受的应力较小，不足以使其开裂。因此，桥台的施工质量(包括台身砌筑、台后填料以及台身材料)可能存在一些问题，导致了桥台开裂。

2)台后填料可能采用了一些不透水性材料，加之台身未设置泄水孔，致使雨水等一些外界水源渗入台后填料中而无法排出，最终产生较大水平推力，导致了桥台开裂。

3)汽车荷载(包括汽车冲击力、制动力等)长期、反复地作用可能导致桥台开裂。

4)本桥搭板倾角比较大，有一定的刚度，也有可能使得汽车荷载通过搭板传递了较大的水平力到台帽上，致使桥台开裂(如图1所示)。

3 桥台受力状态分析

3.1 计算模型

为了选择有效的加固措施，采用大型通用有限元软件ANSYS建立桥台三维有限元模型(见图2)，进行桥台受力状态分析。采用Solid45单元模拟台帽和前墙主体，共划分73 900个单元。鉴于桥台前墙和侧墙连接处已经开裂，计算模型中仅建立前墙的数值模型，考虑前墙在最不利荷载下的力学状态。图2中，x方向为顺桥向，z方向为横桥向，y方向为重力反方向。

3.2 荷载选取

在台背土压力范围内加载土压力。由于侧墙开裂，故在前墙墙背后全断面加载水压力，在前墙前侧加载静土压力。桥台侧汽车荷载制动力和竖向压力靠桥台搭板传递至桥台台帽构造细节处。桥跨结构传递荷载通过支座传递至桥台台帽，模型中将此荷载加载至桥台台帽处。

图2 桥台三维计算模型

汽车荷载换算高度按照文献［1］中4.3.4条处理，取0.51 m。台后主动土压力按照文献［1］中4.2.3条处理，取752.4 kN。台前静土压力按照文献［1］中4.2.3条处理，取217.9 kN。桥台搭板传递制动力按照文献［1］中4.3.5条处理，取442.2 kN。桥台后静水压力随高度线性变化，按照静水压力公式依高度变化加载在有限元模型中。

台帽采用C25混凝土，轴心抗拉标准强度为1.78 MPa。小石子混凝土砌片石采用MU50+C15，轴心抗拉标准强度为0.26 MPa［2］。

3.3 计算结果

荷载组合工况:台后水压力+台后主动土压力+台前静土压力+搭板冲击荷载+桥跨结构传递荷载。经计算，x方向最大位移为2.673 mm，y方向最大位移为0.172 mm，最大主拉应力为0.784 MPa。

图3给出了桥台第一主应力云图。

图3 桥台第一主应力云图（单位：Pa）

计算结果表明:桥台在x和y方向变形较小，并未对桥台结构构成威胁;最大主应力出现在桥台底部，这是由于桥台底部固结约束导致部分应力失真。值得注意的是，在台帽和桥台主体结构连接处，存在局部应力偏大的现象，这是由于此处材料刚度不连续导致应力突变。此处的主拉应力值在0.11 MPa～0.22 MPa之间变化，小石子混凝土砌片石的抗拉强度为0.26 MPa，强度满足要求。

4 加固设计及效果

根据桥台病害现状，并结合桥梁受力状态，采取的加固措施包括:桥台填料换填、注浆以及桥台前墙加固;改造路面搭板［3-5］。技术要点如下:

1)在对桥台进行加固之前，首先必须对已有裂缝仔细检查后进行治理，治理方法为灌注M10微膨胀水泥浆。

2)桥台填料换填。

依次拆除原桥台铺装、混凝土路面后，再开挖路基填料以及台后填料，开挖深度3.5 m。在开挖形成的槽口内，分层浇筑C20片(卵)石混凝土，每层厚度不超过100 cm。

3)桥台填料注浆。

在原桥台填料开挖后，对未开挖的桥台填料进行注浆处理，注浆材料为水+普硅水泥+粉煤灰(或细砂)。

4)桥台前墙加固。

对原桥台前墙细料石镶面进行充分凿毛，要求应凿除镶面石风化层，露出新鲜岩面，并冲洗干净，以确保新浇C30混凝土与桥台前墙的紧密结合。

在原桥台前墙上钻孔植入φ25钢筋，以加强新浇C30混凝土与桥台前墙的连接。在新浇C30混凝土内布设两层15 cm×15 cm间距的钢筋网，表层钢筋网采用φ20钢筋，底层钢筋网采用φ16钢筋。

目前，桥台已完成加固施工，该桥已开放运营。经现场观察，桥台运营现状良好，未出现新裂缝。

5 结语

1)设计荷载作用下，该桥台顺桥向和横桥向的最大位移分别为2.673 mm和0.172 mm，强度满足要求，桥台受力状态良好。桥台开裂原因主要是桥台施工质量(包括台身砌筑、台后填料以及台身材料)引起。

2)通过桥台填料换填、注浆以及桥台前墙加固，并改造路面搭板，达到了加固目标，加固效果明显。

［1］JTJ 021-89，公路桥涵设计通用规范［S］.

［2］JTJ 023-85，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［3］李茂盛.重力式U型桥台典型病害及加固方法研究［D］.重庆:重庆交通大学，2011.

［4］高国付.薄壁桥台的受力分析及处理方案［J］.山西建筑，2013，39(7):168-169.

［5］GB 50367-2006，混凝土结构加固设计规范［S］.