意外堆土对高架桥结构安全性评估分析

万友元

(广东惠清高速公路有限公司， 广东 广州 510000)

意外堆土对高架桥结构安全性评估分析

万友元

(广东惠清高速公路有限公司， 广东 广州 510000)

高墩高架桥的桥墩受横向荷载非常敏感，意外堆土对高架桥既有桥墩可能产生重大影响，必须加以控制。为评估意外堆土对某高墩高架桥结构受力性能的影响，通过现场调查，考虑了堆土的侧向刚度，采用midas有限元分析软件建立模型分析了堆土对桥墩及主梁受力性能的影响，理论分析表明：若没有上部结构对桥墩的支撑作用，在上述意外堆土荷载作用下，墩内最大拉应力将接近8 MPa。考虑上部结构对桥墩提供的有效支撑后，在最不利意外堆土压力与恒载的共同组合下，2#桥墩最大会产生约1.13 MPa拉应力，但小于C30混凝土的抗拉强度标准值2.01 MPa。基于分析结果对意外堆土后的桥梁状态进行了评估，并提出了相应的处理建议，可为同类事故的分析和处理提供参考。

高架桥；意外堆土；桥墩；安全评估

0 引言

跨越山谷或城市高架道路的桥梁称为高架桥。其特点为：桥墩高度较高，一般用钢筋混凝土排架或柱式钢筋混凝土桥墩[1,2]。高墩高架桥的桥墩受横向荷载非常敏感，意外堆土对高架桥既有桥墩可能产生重大影响，必须加以控制。

近年来，已出现多起因意外堆土、堆载导致桥墩偏位、桩基意外变位等情况[3-8]。

本文通过现场调查、理论分析评估了意外堆土对某高墩高架桥结构受力性能的影响，基于分析结果对意外堆土后的桥梁状态进行了评估，并提出了相应的处理建议，可为同类事故的分析和处理提供参考。

1 工程背景

本文的工程背景为某高架桥，位于某高速公路互通，上部结构采用15×30 m连续T梁(5跨1联)，下部结构为肋板式桥台配桩基础(0号台)、柱式桥台配桩基础(15号台)、柱式桥墩配桩基础。预制T梁采用C50混凝土，桥台台帽、桥墩盖梁、桥墩墩柱、基础采用C30混凝土。设计汽车荷载为公路 — Ⅰ级。

高架桥第1联立面图见图1。

图1 高架桥第1联立面图(单位： cm)

高架桥通车运营后，由于桥下道路施工，施工单位将部分弃土堆置于高架桥1号墩～3号墩之间，出现如图2所示设计外的非正常意外堆土。

a) 下穿0号台～1号墩间的新修道路

b) 1～3号墩间的意外堆土情况

2 现场调查

2.1 现场堆土范围调查

通过现场实测并结合竣工图，可以测算设计外意外堆土的范围如图3所示，左、右两幅意外堆土情况基本一致。意外堆土仅局限在1～3号墩之间，1号墩顺桥向两侧的意外堆土顶面基本在同一标高，已基本平衡；2号墩两侧意外堆土相差较大，2 ～3号墩间意外堆土从2号墩意外堆土顶面线性变化至3号墩原地面标高处。

1～2号墩间意外堆土后的地面标高均值约为171 m，意外堆土深度范围在6.05～13.2 m之间，近似梯形分布，平均深度约为10 m。

2～3号墩间意外堆土剖面近似三角形分布，意外堆土休止角(倾斜面与水平面夹角)约为25°。

图3 意外堆土范围(单位： cm)

2.2 桥墩、主梁及支座的工作情况调查

桥墩状况： 1～3号墩的表面有见因意外堆土内石块冲击或机械设备刮碰造成的局部浅表性损伤，但深度均不超过3 mm，处于墩混凝土保护层范围内。1～3号墩上未见可见裂缝及明显变形和偏位，工作状况未见明显改变，工作状态尚属正常。主梁状况：上部结构主梁未见明显病害，工作状态尚属正常。支座情况：支座上未见明显异常现象，工作情况尚属正常。

现场检查表明：除1～3号墩的表面有见因意外堆土内石块冲击或机械设备刮碰造成的局部浅表性损伤外，桥墩、主梁上未见可见裂缝，桥墩未见明显变形及偏位，支座未见明显剪切变形和移位，结构整体工作状态正常。

3 理论分析

3.1 有限元模型建立

为评估上述非正常意外堆土对桥梁结构受力的影响，采用MIDAS/CIVIL分别对左、右两幅的第1联建立空间模型进行结构受力分析，左、右幅模型分别如图4所示。主梁、桥墩、盖梁、系梁均采用梁单元进行模拟。不考虑0号桥台及5号桥墩的作用，通过在梁端分别设置不动铰支承来进行模拟[9,10]。

通过考虑意外堆土水平压力的形式来模拟意外堆土的影响，考虑对结构的最不利影响，仅考虑1号墩～2号墩间意外堆土作用。意外堆土按作用按线荷载布置在2号桥墩第2道系梁与第3道系梁之间。按被动土压力系数进行保守考虑。

a) 左幅计算模型

b) 右幅计算模型

依据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60 — 2004)4.2.3条规定，压实意外堆土重力的水平压力强度标准值可按下式计算：

qH=λγh

(1)

(2)

式中：λ为侧压系数；φ为土的内摩擦角，评估时保守取意外堆土的内摩擦角为25°；γ为土的重力密度，取γ=18 kN/m3；h为计算截面至路面顶的高度，m，取平均意外堆土深度进行计算，h=10 m。

计算得到：qH=73.06 kN/m2。

通过梁单元荷载的形式在midas模型中进行模拟，如图5所示，考虑意外堆土最不利情况(只考虑1～2号墩意外堆土，忽略2～3号墩意外堆土的有利影响；按意外堆土深度10 m考虑土压力)。

图5 意外堆土产生的水平压力

该桥采用橡胶支座，橡胶支座一般采用节点弹性连接的方式(如图6所示)，通过设置Kx、Ky、Kz、Rx、Ry及Rz参数进行支座模拟。橡胶支座使桥墩与主梁之间的关系介于刚接与水平自由之间，当Kx=0时，主梁与桥墩处于水平自由状态；当Kx无穷大时，桥墩与主梁处于刚接状态。其他参数按支座设计值考虑。

图6 节点弹性连接模拟橡胶支座示意

当桥墩与主梁处于刚接状态时(即Kx=无穷大时)，主梁受力处于最不利状态，因此，在对主梁进行评估时按主梁与桥墩固结进行考虑，分析结果中，主梁的应力均偏安全地按支座为刚接状态考虑。

为全面地分析桥墩，接下来按Kx=0、Kx=∞分别计算意外堆土对桥墩的影响。

3.2 分析结果

3.2.1 堆土对主梁应力影响分析

左幅桥由外侧栏杆往内侧栏杆依次记为1#主梁～6#主梁，考虑结构对称，表1只列出1#～3#主梁应力情况。右幅由外侧栏杆往内侧栏杆依次记为1#主梁～10#主梁，考虑结构对称，表2只列出1#～5#主梁应力情况。

分析表明： 在意外堆土荷载作用下，右幅主梁最大拉应力增量为0.52 MPa；最大压应力增量为0.50 MPa。左幅主梁最大拉应力增量为0.53 MPa；最大压应力增量为0.50 MPa。应力增量均较小。

表1 左幅桥主梁应力增量计算结果 MPa

表2 右幅桥主梁应力增量计算结果 MPa

3.2.2 堆土对桥墩应力影响分析

考虑不同堆土支承条件(Kx=0或Kx=∞)情况，意外堆土对左、右幅2#桥墩应力增量分别如图7、图8所示。

a) Kx=∞

b) Kx=0

a) Kx=∞

b) Kx=0

经计算发现，意外堆土荷载作用下，由于上部结构的约束，Kx=0及Kx=∞时，2#墩的应力变化较小，最大应力变化0.1 MPa，评估时按2种情况的最不利考虑。

分析结果表明：左、右幅2#桥墩的最大拉应力增量为2.7、3.27 MPa。考虑最不利堆土压力与恒载及汽车荷载的共同组合时，左、右幅桥墩会分别产生约1.0、1.17 MPa拉应力，虽然意外堆土使桥墩出现了拉应力，但小于C30混凝土的抗拉强度标准值2.01 MPa。

3.2.3 意外堆土对桥墩横向受力影响分析

意外堆土除了对桥纵向有影响外，还会对桥墩横向产生影响，分别对该桥左、右幅2#桥墩建立模型分析桥墩横向受力。分析时意外堆土通过三角形荷载布置在意外堆土范围内，土压力方向沿桥墩横向。在桥墩盖梁位置增加一般支撑约束Y向位移。桥墩横向应力增量如图9所示。

a) 左幅

b) 右幅

分析结果表明： 意外堆土荷载作用下，左、右幅2#桥墩横向最大拉应力增量为3.48、3.83 MPa。考虑最不利堆土压力与恒载及汽车荷载的共同组合时，左、右幅桥墩会分别产生约1.03、1.13 MPa拉应力，虽然意外堆土使桥墩出现了拉应力，但小于C30混凝土的抗拉强度标准值2.01 MPa。

3.2.4 若上部结构未施工桥墩应力评估

若上部结构未施工，此时没有上部结构对桥墩的支撑作用，意外堆土作用对左、右幅2#桥墩的应力如图10所示。

分析结果表明： 左、右幅2#桥墩墩内最大拉应力将分别超过7.4、8 MPa，远超混凝土的抗拉强度。意外堆土将会导致桥墩出现环向裂缝。

3.3 处理建议

根据以上分析，对于意外堆土可采用以下2种方案进行处治：

1) 卸土方案。停止在桥墩附近产生新的填土并有组织地卸除新增填土，卸土时可从1#～2#墩间开始，卸土过程中，应注意尽可能同步、平衡卸除1#～2#墩和2#～3#墩间填土。切忌出现先卸载

a) 左幅

b) 右幅

2#～3#墩间填土再卸载1#～2#墩间填土而使桥墩受力趋于不利的卸土情况。

2) 护坡方案。现有填土作用下，虽然结构的受力趋于不利，但尚处于安全范围内，加之卸除现有填土过程中，若控制不力，可能出现使结构产生更不利的受力情形，故提出护坡方案。该方案建议不卸除现有填土，但需采取有力措施保证填土土坡的稳定性。

4 结论

1) 在意外堆土荷载作用下，右幅主梁最大拉应力增量为0.52 MPa；最大压应力增量为0.50 MPa。左幅主梁最大拉应力增量为0.53 MPa；最大压应力增量为0.50 MPa。应力增量均较小。

2) 意外堆土导致左、右幅2#桥墩纵向最大拉应力增量为2.7、3.27 MPa。横向最大拉应力增量为3.48、3.83 MPa。

3) 由于上述意外堆土是有幸在桥梁上、下部结构形成整体后发生，此时桥梁上部结构主梁对桥墩提供了有效支撑，使得桥墩的受力趋于有利，才使得填土荷载未对桥墩的受力产生危及结构安全性的影响。如果没有上部结构对桥墩的支撑作用，在上述填土荷载作用下，墩内最大拉应力将接近8 MPa，远超混凝土的抗拉强度。

4) 针对意外堆土应根据具体需要采取必要的处治方案，确保桥梁安全。

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2017-05-13

万友元(1976-)，男，工程师，主要从事高速公路建设管理。

1008-844X(2017)02-0215-04

U 448.28

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