U型桥台常见病害机理与加固技术研究

程绍俊， 高荣雄， 肖溢华， 程双希， 乐 颖， Duraid Hasan

(1.安阳市公路管理局， 河南 安阳 455000；2. 华中科技大学 a.土木工程与力学学院； b. 控制结构湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430074)

U型桥台常见病害机理与加固技术研究

程绍俊1， 高荣雄2， 肖溢华2， 程双希1， 乐 颖2， Duraid Hasan2

(1.安阳市公路管理局， 河南 安阳 455000；2. 华中科技大学 a.土木工程与力学学院； b. 控制结构湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430074)

U型桥台作为经典的桥台结构形式，在桥梁设计中运用十分广泛。在桥梁运营过程中，U型桥台由于受力形式复杂，容易出现各种病害。根据大量的现场调查，U型桥台的常见病害具有共性。本文在归纳U型桥台主要病害类型的基础上，深入分析U型桥台病害机理，提出U型桥台加固方法。运用ANSYS有限元软件的非线性分析功能，建立加固前后桥台的三维空间实体模型，通过不同高度和宽度的桥台受力分析，对比研究加固前后U型桥台的应力和位移情况，从而对各种加固方法的加固效应加以评估。研究表明：土压力等荷载作用下导致的台身主拉应力偏大，尤其是前墙与侧墙交汇处，是桥台台身开裂的主要内因，因地制宜采用合适的加固方式可有效防止桥台开裂。

U型桥台； 病害机理； 非线性分析； 加固

由于构造简单、施工方便、成本低廉，使得U型桥台在桥梁建设中运用非常广泛[1]。某些特殊的地形还造就了很多高、宽、大的重力式桥台。在运营过程中，由于活载、结构恒载以及土压力等因素的耦合作用，U型桥台常会出现一些病害[2]。而作为桥梁结构中的主要承重部件之一，桥台病害将直接影响到桥梁的承载能力，危及桥梁安全。大量的现场调查发现，U型桥台的病害发生部位和类型表现出一定的共性。因此，对其病害进行调查归纳，深入分析病害机理，并提出加固治理对策是十分必要的。

1 U型桥台主要病害

通过对河南省安阳市、洛阳市和三门峡地区60余座U型桥台(上部主要为空心板、T梁和小箱梁)桥梁实地调查，发现U型桥台的病害主要归纳如下(图1)[3，4]。

图1 U型桥台典型病害

1.1 台身开裂

U型桥台的台身是主要承重部位，在桥台宽度不大时，台身一般不会出现裂缝。但是对于桥台宽度较大的整体式U型桥台，没有设置变形缝时台身容易开裂，并且宽度大的桥台承受的恒载相对增加，其前墙的线性抗弯刚度减小，此时前墙对地基不均匀沉降非常敏感，一旦桥台基础局部地基承载力不足，出现不均匀沉降，桥台前墙即容易出现沉降缝而竖向开裂。

1.2 桥台侧墙开裂

因台后填土施工不规范以及桥梁运营时的超载作用，桥面铺装层开裂、渗水，大量的雨水渗入台内，使得台后填土内摩擦角减小、饱和容重增大，台后土压力大幅度增加，使侧墙外倾开裂。其次桥台基础局部地基承载力不足，基础不均匀沉降，导致桥台内部应力重分布，应力和变形增大，造成桥台侧墙开裂。

1.3 桥台前墙和侧墙交汇处开裂

桥台前墙和侧墙角隅处受到的土压力合力较大，角隅处拉应力较大。当桥台前墙和侧墙尺寸较小，而又没有设置角隅钢筋时，角隅处将在过大土压力作用下应力超限而开裂。这种现象在斜桥桥台中更为突出，因为斜桥桥台前墙与侧墙的夹角为钝角时，在墙背土压力的作用下，前墙与侧墙连接的转角处容易被撕裂而发生裂缝，夹角的角度越大，被撕裂的可能性也越大。并且，随着桥台高度的增加，台后填土压力将呈指数倍增长，随着桥台宽度的增加，桥台线性抗弯刚度减小。

1.4 桥台台后填土下沉

台背回填土须按规定分层压实施工，单层层厚在20～30 cm之间为佳，并且石料最大粒径须小于层厚的2/3，以此才能保证台后填土密实。但现状是施工单位通常对台后填土施工的重视程度不高，有时为了赶工期，往往导致桥台台后填土的施工质量不佳，填土压实度不达标，甚至直接将大块石料填入台内，使得桥台在通车后由于台内填料的沉降而出现桥台开裂及路面凹陷等病害。

2 桥台病害影响因素分析

2.1 桥台有限元模型参数的选取及模型建立

桥台台后填土可近似为一种非线性弹性体材料，采用solid45八节点单元对其进行模拟[5]，其它参数分别为：压缩模量为48 MPa，泊松比为0.3，内摩擦角为30°，粘聚力为30 kPa，密度为1900 kg/m3，剪胀角为29°。

U型桥台台身也是一种非线性材料，但是其刚度比台后填土的大得多[6]，将台身材料也视为线弹性材料，选用solid65八节点实体单元对其进行模拟，参数取值如下：压缩模量取值为4.8 GPa，泊松比取值为0.167，密度取值为2500 kg/m3。

采取3D面-面接触来模拟台身和台后填土之间的相互作用[7]，目标面为TARGET170单元，接触面为CONTA173单元。

基于ANSYS建立桥台有限元模型如图2，以宽25 m，高20 m的桥台为例，整个桥台台身和桥台台后填土模型共有221940个单元和242622个节点。

图2 桥台有限元模型

2.2 桥台高度对其受力影响

为研究桥台高度对受力的影响特点，选取两组U型桥台进行模拟分析，第一组桥台宽度B为20 m，第二组桥台宽度B为25 m，两组桥台的高度均从10 m渐变到20 m，级差1 m。部分主拉应力云图如图3。

图3 主拉应力云图

从第一主拉应力云图可以得出，桥台的最大主拉应力出现在桥台侧墙和前墙的交角处。分别提取各桥台的最大第一主拉应力值，变化如图4所示。

图4 不同高度U型桥台最大第一主拉应力值

分析图4可以得到，宽度不变时，桥台的最大第一主拉应力值随高度的增大而增大。但是不同宽度下最大主拉应力的增量几乎不随桥台高度而变化。也即桥台宽度分别为25 m和20 m的应力差值在不同高度下变化不大。

2.3 桥台宽度对其受力影响

随着桥台宽度的加大，侧墙对前墙的约束效用减小，前墙承受的土压力急剧变大从而可能导致开裂。为了研究桥台宽度对受力的影响，选取两组U型桥台进行分析，第一组桥台高度H为15 m，第二组桥台高度H为20 m，两组桥台的宽度均从16 m渐变到30 m，级差2 m。

从第一主拉应力云图可以得出，桥台的最大主拉应力仍然出现在桥台侧墙和前墙的交角处。分别提取各个桥台的最大第一主拉应力值，如图5所示。

图5 不同宽度的U型桥台最大第一主拉应力

由图5可知，当桥台高度不变时，桥台最大第一主拉应力值随宽度的增大而增大，土压力的大小与桥台宽度成正比。不同高度下主拉应力随桥台宽度的变化增量几乎相同。

从高度为15 m和20 m的两组桥台算例中，分别提取出宽度为16、20、24、28 m时所有桥台前墙和侧墙交角处，高度从0 m渐变到15 m(或20 m)时的主拉应力值绘制曲线如图6所示。

图6 不同宽度U型桥台前墙和侧墙交角处 沿高度方向第一主拉应力变化

由图6可以得出：(1)桥台高度不变时，随着桥台宽度的变大，最大第一主拉应力值变大；(2)各个宽度下桥台第一主拉应力在顶端和底端较小，最大第一主拉应力值约在2H/3处，因为桥台顶端受到的土压力较小，底端虽然承受的土压力变大，但是由于桥台侧墙和前墙的坡度，底端截面面积增大，因此应力反而较小，从而最大第一主拉应力出现在桥台中部。

2.4 台后填土含水率对桥台受力的影响

当排水设施设置不完善，或者由于桥台对应位置路面破损，雨水等渗入造成桥台内腔积水，台后填土在雨水的浸润下吸水膨胀，导致填土容重、内摩擦角以及粘聚力等性质的改变，从而使土压力增大。为研究填土含水率对受力的影响，分别选取填土含水率为16%、20%、24%、28%、32%和36%的一组桥台进行模拟分析，假设台后填土均为砂性土。

提取含水率变化时，各个桥台模型的最大第一主拉应力值绘制曲线变化图如图7所示。

图7 不同含水率U型桥台最大第一主拉应力值变化

由图7可知，随着填土含水率的增加，桥台最大第一主拉应力值也相应增加。因为随着含水率的增加，填土内摩擦角减小、饱和容重增大，使土压力增大，从而桥台最大第一主拉应力值增大。

提取填土含水率ω为16%、24%和32%时所有桥台前墙和侧墙交角处，高度从0 m渐变到15 m时的第一主拉应力如图8所示。

图8 不同含水率U型桥台前墙和侧墙交角处 沿高度方向第一主拉应力变化

由图8可以得出：(1)U型桥台的最大第一主拉应力值随填土含水率的增加而增加，高度相同时，桥台的第一主拉应力值也随填土含水率的增大而增大；(2)桥台第一主拉应力值仍然是在顶端和底端相对较小，最大主拉应力仍然位于2H/3处。

3 U型桥台加固方式

由于U型桥台数量多，在加固实践的基础上，基于桥台病害原因和病害影响因素分析，有针对性地提出如下加固措施[8]。

3.1 前墙布置锚杆加固法

桥台台后填土下沉引起台后路面下沉凹陷，车辆经过桥台会产生跳车现象，使得桥台承受较大的汽车冲击力和土压力，导致前墙外倾开裂，因此可采用在前墙中布置一排或数排锚杆进行加固，使桥台形成整体受力(如图9)。锚杆数量并不是越多对受力越有利[9]，当桥台高度不大时，过多地增加锚杆数量并不能相应地提高锚杆对前墙的约束作用。

图9 前墙锚杆加固示意

按照布置一～四排锚杆，每排布置十根锚杆加固桥台，根据ANSYS计算得到桥台加固前后的应力和位移值列表如表1所示。

由表1可知，桥台布置锚杆时，最大第一主拉应力相比于不设置锚杆时明显降低，且随着锚杆数量的增加，最大第一主拉应力值降低的幅度也增大，最高达到25 %左右。此外，前墙增设锚杆可以有效地限制桥台顺桥向的位移，但是对于减小控制桥台整体变形的桥台横桥向位移则收效甚微，原因是最大顺桥向位移出现在桥台前墙，锚杆可以有效地限制前墙在土压力作用下的位移。前墙设置四排锚杆时，桥台最大顺桥向位移降低将近60%，最大横桥向位移反而有微小增加，其主要原因是锚杆对前墙作用一个水平拉力，将这个水平拉力平移到侧墙上时，侧墙将受到一个沿其长度方向的水平力和一个力矩，在这个力矩的作用下，侧墙位移反而增加。

表1 不同数量锚杆加固U型桥台应力和位移

3.2 侧墙对拉钢绞线加固法

台后填土压力过大时，桥台侧墙外倾开裂，此时可在两侧墙之间张拉预应力钢绞线[10]，提高侧墙抵抗土压力和抗倾覆能力(图10)。采用本方法加固桥台时，首先将台后填土挖出，对桥台进行卸载，然后对侧墙的裂缝进行修补，将钢绞线布置在合适的位置，张拉并锚固之后，再回填台后填土。当然其施工也可以不挖台内填土，而采用钻孔张拉锚杆。为避免张拉钢绞线时侧墙局部受力过大而混凝土被压碎，一般将钢绞线锚固在侧墙外侧浇筑的混凝土垫梁上以减轻应力集中现象。

图10 侧墙对拉钢绞线加固法示意

按照布置一～三排钢绞线，每排对拉八根加固桥台，根据ANSYS计算得到桥台原型和加固后各个桥台应力和位移值列表如表2所示。

表2 不同数量钢绞线加固U型桥台应力和位移

由表2可知，在应力方面，桥台对拉钢绞线加固时，最大第一主拉应力相比于不设置钢绞线时有显著降低，并且随着钢绞线数量的增加，最大第一主拉应力减小的幅度也变大，当在侧墙布置三排钢绞线时，其最大第一主拉应力值减小率达到20%左右。在位移方面，侧墙对拉钢绞线加固时，侧墙位移减小十分明显，因为桥台最大横桥向位移出现在侧墙端部，在钢绞线的作用下，可以有效地限制侧墙在土压力作用下的位移，当对拉三排钢绞线时，最大横桥向位移降低将近36 %。但是对于最大顺桥向位移，采用对拉钢绞线加固时反而有一定的增加，因为钢绞线对侧墙的作用力相当于一对水平拉力，如果将这对水平拉力平移到前墙上，前墙将受到一对沿其宽度方向的水平力和一对力矩，水平力由于大小相等方向相反，其作用可以相互抵消，但是在力矩的作用下，前墙的受力形式相当于两端固定梁上作用一对力矩，因此桥台前墙的位移将会增加，顺桥向位移也相应地增加。因此采用对拉钢绞线加固桥台时，应注意钢绞线的布置数量，以免给桥台造成过大的顺桥向位移，或者在加固桥台时，将侧墙对拉钢绞线加固方法和前墙布置锚杆加固方法等配合使用，以达到更好的效果。

3.3 钢筋混凝土圈梁加固法

此种加固方法通过在桥台侧墙和前墙外侧浇筑一圈钢筋混凝土梁，浇筑的混凝土圈梁增加了重力式桥台的约束，桥台土体变形减小，因此可以减小桥台的应力和位移(如图11)。该加固方法主要使用于已经出现病害的桥台，其作用是增加桥台的抵抗力。浇筑钢筋混凝土圈梁的施工方法是先将台后填土挖空，对桥台进行卸载，对开裂的部位进行修复之后在侧墙和前墙外侧浇筑一圈钢筋混凝土梁。采用浇筑混凝土圈梁加固桥台时，混凝土圈梁与桥台之间的连接是通过在前墙和侧墙钻孔布置梅花型牵钉，然后将混凝土圈梁内的钢筋网绑扎悬挂于牵钉上，并绑扎牢固，然后再支立模板、浇筑圈梁混凝土，待混凝土强度达到一定程度后，回填台后填土，可以选择轻质材料回填，从另一方面减小土压力。

图11 混凝土圈梁加固法示意

采用布置一道或两道截面尺寸为50 cm×50 cm的混凝土圈梁加固桥台，ANSYS计算得到桥台原型和各个加固桥台应力和位移值列表如表3所示。

表3 不同数量混凝土圈梁加固U型桥台应力和位移

由表3可知，在应力方面，浇筑混凝土圈梁加固桥台时，桥台最大第一主拉应力值较不浇筑混凝土圈梁时要明显减小，并且，当增加混凝土圈梁数量时，最大第一主拉应力值减小幅度也变大，当在桥台前墙和侧墙外侧布置两道混凝土圈梁时，桥台最大第一主拉应力值降低约22 %左右。在位移方面，浇筑混凝土圈梁加固桥台时，桥台侧墙和前墙位移均显著减小，因为钢筋混凝土圈梁对桥台起到一个包裹作用，有效限制了桥台前墙和侧墙的变位，从而使桥台在土压力作用下，其最大顺桥向位移和最大横桥向位移都显著地减小。从表中还可以看出，浇筑钢筋混凝土圈梁加固对限制桥台最大横桥向位移更加有效，当在前墙和侧墙外侧浇筑两道钢筋混凝土圈梁时，桥台最大顺桥向位移降低25 %左右，而桥台最大横桥向位移降低率则达到将近40 %。钢筋混凝土圈梁加固桥台之所以能有效地减小位移，是因为桥台最大横桥向位移出现在侧墙，而桥台的最大顺桥向位移则出现在前墙，钢筋混凝土圈梁对侧墙和前墙的作用相当于在侧墙和前墙上作用一个垂直于侧墙或者前墙的水平推力，且此水平推力与台背填土引起的作用于侧墙和前墙上面的土压力方向相反，从而此推力可以抵消部分土压力的效应，从而达到降低桥台最大顺桥向位移值和桥台最大横桥向位移值的效果。

3.4 倒角加固法

该方法通过在桥台侧墙和前墙交汇处设置一定长度的倒角实施。由有限元分析结果可知，U型桥台的最大主拉应力值出现在桥台侧墙和前墙交角处，原因是侧墙和前墙交角处承受两个方向的水平土压力合力，导致应力集中，因而可以在桥台侧墙和前墙的交角处设置一定长度的倒角，使交角由90°变为钝角，有效减小应力集中，降低桥台侧墙和前墙交角处的最大主拉应力值。在工程实践中，为了减小U型桥台的最大主拉应力值，可在侧墙和前墙交角处设置倒角。本文拟采用设置宽度分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m的倒角加固桥台，计算得到桥台原型和各个加固桥台应力和位移值列表如表4所示。

表4 不同倒角宽度U型桥台最大第一主拉应力值

从表4可以看出，在应力方面，不论设置多宽的倒角，其最大第一主拉应力值相比于不设置倒角时，都有一定程度的降低，并且随着倒角宽度的增加，最大第一主拉应力值降低的比率也会随之增加，最大可以达到20 %左右。在位移方面，桥台的最大顺桥向位移和桥台的最大横桥向位移相比于不设置倒角时都有一定程度的降低。并且，无论桥台最大顺桥向位移还是桥台最大横桥向位移，其位移的降低比率都会随着倒角宽度的增加而增加。从表中可以看出，设置倒角宽度相同时，桥台最大顺桥向位移值降低的比率永远大于桥台最大横桥向位移值降低的比率，并且随着桥台设置倒角宽度的增加，这种差别会越来越大，出现这种现象的原因，主要是桥台顺桥向位移出现在桥台前墙中部，而设置倒角就好像对桥台前墙设置一对横撑，能有效地增加桥台前墙刚度，从而有效地减小桥台的顺桥向位移，如表中所示，当设置宽度为3 m的倒角时，桥台最大顺桥向位移降低了将近35 %，而桥台最大横桥向位移只降低7 %左右。

4 结 论

(1)无论U型桥台的高度和宽度如何改变，桥台最大第一主拉应力总是在桥台侧墙和前墙交角处，位置处于桥台高度的2H/3处左右；

(2)桥台宽度不变时，随着桥台高度的变大，桥台最大第一主拉应力也随之变大；桥台高度不变时，随着桥台宽度的增加，桥台最大第一主拉应力也随之增加；桥台高度和宽度都不变时，随着桥台台后填土含水率的增加，桥台最大第一主拉应力也随之增加；

(3)采用前墙布置锚杆加固U型桥台时，桥台的最大第一主拉应力和最大顺桥向位移均明显减小，桥台最大横桥向位移有微小增加，因而该加固方式的不足是无法减小桥台最大横桥向位移；

(4) 采用侧墙对拉钢绞线加固U型桥台时，桥台的最大第一主拉应力和最大横桥向位移均明显减小，桥台最大顺桥向位移有微小增加，因而该加固方式的不足是不能减小桥台最大顺桥向位移；

(5)采用浇筑钢筋混凝土圈梁加固U型桥台时，桥台的最大第一主拉应力、最大顺桥向位移和最大横桥向位移均明显减小；

综上所述，U型桥台出现过大主拉应力而引起桥台出现裂缝，其根源主要是台背填土引起的土压力过大所致。前墙布置锚杆加固法、侧墙对拉钢绞线加固法、钢筋混凝土圈梁加固法以及倒角加固法等方式加固U型桥台，可以有效地减小桥台受力和位移效应，可因地制宜采用。

[1] 范立础. 桥梁工程[M]. 北京: 人民交通出版社, 2001.

[2] 周水兴, 胡 娟, 张 敏. 重力式桥台开裂的机理分析[J]. 重庆交通学院学报, 2005, (4): 9-12.

[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] 刘景生, 汪为奇. U型桥台病害分析及对策[J]. 华东公路, 2000, (4): 47-48.

[5] Wei Tian, Xue Dong Guo. Finite element analysis and reinforcement of gravity abutments crack[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 405-408: 771-774.

[6] 田国旺. 重力式斜交U型高桥台加固的非线性有限元数值模拟研究[J]. 吉林交通科技, 2010, (4): 39-43.

[7] 门广鑫. 重力式U型桥台开裂的非线性有限元模拟分析[J]. 北方交通, 2009, (4): 72-74.

[8] 张 俭. U型桥台典型病害分析与维修加固[J]. 公路, 2009, (10): 49-54.

[9] 赵 锋. 预应力锚杆在桥台加固工程中的应用[J]. 中南公路工程, 2000, 25(3): 54-59.

[10]李相勇. 预应力锚索技术在危桥桥台加固中的应用[J]. 路基工程, 2003, (s1): 66-68.

Study on Typical Disease Mechanism and Reinforcement Technology for U-Shaped Abutment

CHENGShao-jun1,GAORong-xiong2,XIAOYi-hua2,CHENGShuang-xi1,YUEYing2,DuraidHasan2

(1.Anyang Highway Administration, Anyang 455000, China;2. a. School of Civil Engineering and Mechanics; b. Hubei Key Laboratory of Control Structures,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

As a classic structural form, U-shaped abutment is widely used in bridge design. In the process of bridge operation, U-shaped abutment is prone to various diseases due to the complex stress. According to a great deal of field surveies, the typical diseases of U-shaped abutment have common character. Based on major disease types，this paper further analyzed disease mechanism and proposed reinforcement methods on U-shaped bridge abutment. By applying nonlinear analysis function of ANSYS finite element software and establishing three-dimensional solid model for abutment before and after reinforcement, with the mechanical analysis under different height and width of abutment, this paper is intended to assess reinforcement effect of various methods via relative analysis on stress and displacement before and after reinforcement. Investigation shows that the larger principal tensile stresses under multiple loads such as earth pressure are the main cause of cracking of abutment, especially at junction of front wall and side wall. On the basic of actual situations, the suitable reinforcement methods can keep U-shaped abutment from cracking.

U-shaped abutment; disease mechanism; nonlinear analysis; reinforcement

2014-08-15

2014-10-17

陈绍俊(1962-)，男，河南安阳人，高级工程师，研究方向为桥梁管理(Email: 151609184@qq.com)

高荣雄(1969-)，男，福建福安人，副教授，博士，研究方向为桥梁健康评估与加固(Email: bridge115@hust.edu.cn)

U445.7+2

A

2095-0985(2014)04-0022-07