预应力混凝土箱梁桥桥墩位移事故机理分析

王成平，杨彪，李轩

(1.西安职业技术学院建筑工程系，陕西 西安 710077； 2.西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安 710055； 3.陕西通宇公路研究所有限公司，陕西 西安 710000)

预应力混凝土箱梁桥桥墩位移事故机理分析

王成平1，杨彪2，李轩3

(1.西安职业技术学院建筑工程系，陕西 西安 710077； 2.西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安 710055； 3.陕西通宇公路研究所有限公司，陕西 西安 710000)

针对桥墩位移事故致因的复杂性及分析过程的不确定性，以某预应力混凝土箱梁桥桥墩因上游侧的新填土造成堆载作用导致土体侧向位移影响桩基受力的位移事故项目为研究对象，通过现场检测、监测及理论分析了与数值模拟相结合的综合分析方法，模拟并分析桥墩位移事故的致因，梳理病害产生的内在机理。结合现场实际情况，以分级处理为处置原则，采用桩基顶推、墩顶牵引、设抗滑桩、平衡堆载等组合措施进行纠偏处理并对病害进行整治，使桥墩偏位回归至允许范围内，缺陷得到修复。在纠偏处理过程中对桥墩、抗滑桩和锚杆等进行动态监控，结果表明，各项位移指标符合要求，事故分析过程准确，所采取的方案有效合理，处置效果良好。该研究为同类事故事后调查及病害成因分析、纠偏处置提供了参考。

位移事故；数值模拟；病害成因；纠偏治理

由于我国城市建设的高速发展，大量施工垃圾、填土被倾泻到沿线的桥梁两侧，在不良地质条件的桥梁区域，随着时间的推移，桥墩在堆土荷载作用下发生沉降的同时亦可能产生较大的侧向变形[1]，极易导致桥墩桩基偏位，引起邻近桩基础发生位移、破坏以致失稳。此类堆土导致桥墩桩基偏位的事故时有发生，如某互通区跨线桥[2]、某区域长江大桥引桥[3]等。桥墩偏位会导致桥体结构承载能力降低，威胁桥梁运营安全。

目前，堆载作用下土体侧向位移对邻近桩基受力的影响分析方法主要包括理论分析法、数值模拟法和现场实测法等。理论分析法中，最具代表的属土压力法和土位移法[4-5]，其在机理上能更好地反映被动桩-土的相互作用，但由于自由土体位移场的确定较为困难，其工程应用受到制约。而在数值模拟及现场监测方面，针对桥墩事故的研究，冯忠居等[1]以某桥梁墩台周围堆载引起桥梁结构偏斜的工程为背景，通过现场实测的方法，布设测点，跟踪观测堆载引起桥梁墩台与基础的偏移性状，并采用预应力锚索等处治技术进行加固和纠偏。张浩等[3]以某跨线桥墩柱偏移事故工程实例为背景，基于场区地基软土性状分析，通过现场实测的方法，分析偏移墩柱的原因，并提出处治措施。邓友生等[6]以某陡坡桥墩为研究对象，通过室内试验模型结合有限元分析方法研究不同方向的荷载作用导致墩顶位移的变化。

综上所述，因堆载作用下土体侧向位移对邻近建(构)筑物、桩基的变形影响理论研究较丰富，针对位移事故后的原因分析研究多集中在现场监测和理论分析方面，通过数值模拟结合现场实测等综合分析不同桥梁形式的结构病害成因机理及事故原因的研究尚不丰富。由于导致桥梁位移事故与不同结构形式桥梁病害原因具有一定的不确定性，与普通的桥梁结构病害检测分析相比，对预应力混凝土斜腹板箱梁桥的桥墩位移事故及病害成因更难直接准确地进行评估。在位移及病害事故发生后，针对结构的损害特点和受损构件在结构中的受力特性，通过对桥梁进行检查、检测及数值模拟分析，找出事故原因，是保证桥梁运营安全的基本要求，亦是保证事故有效处理措施的前提。鉴于此，本文以某预应力混凝土箱梁桥为例，采用理论分析、现场实测与数值模拟相结合的方法对桥墩位移事故原因进行分析，并提出加固措施，为同类事故处理提供参考。

1 工程概况

某大桥建于2000年，大桥全长为246 m，上部结构为后张预应力混凝土斜腹板箱梁，下部结构为双柱式桥墩，桩基采用钻孔灌注桩。

1.1 事故经过

图1 结构现状Fig.1 Current structure

由于该市工业园区正在从该桥上游向下游推进式填沟造地，致使大量填土被倾倒在大桥所跨越的深沟中，导致部分桥墩被土掩埋达7 m以上。4#盖梁向下游严重偏移，且部分桥墩盖梁、墩柱和横系梁出现明显开裂现象。对该桥进行特殊检查，现场如图1所示。

1.2 初步调查结果

下部结构采用墩径150 cm双柱式桥墩，桩柱式桥台，工字型承台，每个墩柱下设两根桩基，基础为钻孔灌注桩，桩径120 cm。

1.2.1 现场检查、检测结果

上部结构未发现明显病害，经检测未发现上部结构轴线偏移。下部结构主要病害为裂缝、偏移。4#墩顶10个支座均出现向上游严重倾斜、开裂等现象，其余支座良好。实测混凝土强度为C25，符合设计要求；实测钢筋性能符合HRB335钢筋的要求，符合设计；结构承载能力验算时，采用实测值。

1.2.2 编号规则

以0#桥台的前进方向右侧为上游侧，左侧为下游。依此对横系梁、承台和盖梁进行编号，上游墩柱为N1#，下游墩柱为N2#。

2 数值模拟验算及结果分析

2.1 数值模拟验算说明

大桥3#、4#以及5#墩均向下游方向发生了位移，初步怀疑是上游侧的新填土造成的。针对发现的病害，采用MIDAS FEA对桥墩在自重恒载、上部荷载、土压力及膨胀土的膨胀力作用下的非线性静力进行了分析。

2.1.1 材料取值

(1)混凝土材料取值：采用C25混凝土，按非弹性材料进行模拟，C25混凝土的弹性模量、泊松比、线膨胀系数和容重等材料特性按JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[7]进行取值。C25混凝土材料特性见表1。C25混凝土的受压应力-应变曲线及受拉应力-应变曲线按GB 50010—2010, 混凝土结构设计规范(2015年局部修订版)[8]进行计算。

(2)钢筋材料取值：钢筋采用HRB335钢筋，按弹性材料进行模拟，钢筋的弹性模量、线膨胀系数、容重等材料特性按JTG D62—2004[7]进行取值。钢筋材料特性见表1。

表1 混凝土、钢筋材料特性

2.1.2 上部箱梁支反力荷载

计算上部箱梁支反力时考虑了箱梁自重、护栏、现浇层及桥面铺装。经计算得到一个边梁中墩支座的支反力为1 065.35 kN，一个中梁中墩支座的支反力为1 013.25 kN。

2.1.3 桩的假想固结点的计算

(1)

式中，m取值为20 000 kN/m4；b为桩的计算宽度，取值1.98 m；E为桩的抗弯刚度。最后计算可得X为2.7 m。桥墩各部位土压力计算宽度取计算公式[n(D+1)-1]/n，(墩柱1.5 m、承台5.5 m、桩基1.7 m)。

2.1.4 土对桥墩的水平作用力

考虑下游侧新填土为虚土，上游侧新填土的密实度远远大于下游侧新填土的密实度，假定土水平作用力只包括土压力和膨胀力。

(1)水平土压力：每根桩、柱及承台的土压力计算宽度根据JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范[9]中4.2.3条进行计算。

根据JTG D30—2015公路路基设计规范[10]可查得本地区的膨胀土的重力密度取为24.1 kN/m3。填土高度根据现场取得，根据JTG D30—2015计算出3#、4#以及5#桥墩所受水平主动土压力F0，设线性荷载q1、q2(kN/m)如图2所示。

根据公式：

(2)

(3)

式中，F0为根据JTG D30—2015[10]计算出土的主动土压力,kN；b为土的主动土压力的作用点的位置,m；a+b为新填土覆盖的高度,m。

最后可分别计算出3#、4#和5#墩的q1和q2，其位置及大小见图3。

图2 荷载分布Fig.2 Load distribution

图3 桥墩所受水平土位置及大小Fig.3 Position and size of horizontal soil in the pier

(2)膨胀土膨胀力：根据JTG D30—2015[11]可查得该地区的膨胀土的自由膨胀率为60%，经计算得膨胀力为30 kPa。

2.2 计算结果及分析

2.2.1 位移计算结果及分析

经计算，4#墩柱位移最大值达209.3 mm，承台最大位移值达209.3 mm，桩基位移最大值达209.3 mm，3#墩的墩柱、承台、桩基最大位移值亦达到64.1 mm；5#墩的墩柱、承台、桩基最大位移值亦达到41.1 mm，与实测值相吻合，最大位移量计算结果及实测结果见表3。

表3 各部位最大位移

位移计算结果如图4所示。

图4 位移计算结果Fig.4 Calculation results of displacement

2.2.2 混凝土最大拉应力计算结果及分析

计算结果显示，3#～5#墩的盖梁、墩柱、系梁、承台和桩基等位置出现最大主拉应力超过混凝土抗拉强度标准值，此区域易导致混凝土开裂，具体部位如下。桥墩各部位拉应力计算结果见图5，最大拉应力见表4。

(1)3#墩。①上游侧盖梁的上缘以及下游侧盖梁的下缘;②承台以上5.6 m范围内的墩柱下游侧，桥墩接系梁下游侧墩的下游侧，墩顶接盖梁处的上游侧;③系梁上游侧的上表面以及下游侧下表面，以及承台部分位置;④承台以下4 m范围内桩基下游侧。

(2)4#墩。①上游侧盖梁的上缘以及下游侧盖梁的下缘;②承台以上6.3 m范围内的墩柱下游侧，桥墩接系梁下游侧墩的下游侧，墩顶接盖梁处的上游侧；③系梁上游侧的上表面以及下游侧下表面，以及承台部分位置；④承台以下2 ～ 4 m范围内桩基的下游侧。

表4 桥墩各部位最大拉应力 单位：MPa

图5 拉应力计算结果(最大拉应力)Fig.5 Calculation results of tensile stress (maximum tensile stress)

(3)5#墩。①上游侧盖梁的上缘以及下游侧盖梁的下缘;②承台以上5.4 m范围内的墩柱下游侧，桥墩接系梁下游侧墩的下游侧，墩顶接盖梁处的上游侧;③系梁上游侧的上表面以及下游侧下表面，以及承台部分位置;④承台以下4 m范围内桩基的下游侧。

2.2.3 混凝土最大压应力计算结果及分析

计算结果显示3#～5#墩的墩柱、系梁桩基位置出现混凝土的计算压应力均超过了抗压标准值的问题点，导致混凝土被压碎，具体部位如下。桥墩各部位压应力计算结果如图6所示，各部位最大压应力见表5。

(1)3#墩。①承台以上1 ～ 3.5 m范围内墩柱上游侧，墩顶接盖梁下游侧;②系梁上游侧的下表面以及下游侧上表面；③承台以下2.5 m范围内桩基的上游侧。

(2)4#墩。①承台以上3.5 m范围内的墩柱上游侧，墩顶接盖梁的下游侧；②系梁上游侧的下表面以及下游侧上表面；③承台以下2 ～ 3 m处桩基的上游侧。

(3)5#墩。①墩顶接盖梁的下游侧；②系梁上游侧的下表面以及下游侧上表面；③承台以下2 m范围内桩基的上游侧。

表5 桥墩各部位最大压应力 单位：MPa

图6 压应力计算结果(最大压应力)Fig.6 Calculation result of compressive stress (maximum pressure stress)

2.2.4 钢筋应力计算结果及分析

(1)3#墩承台以上3 m范围内的墩柱下游侧、承台以下2.5 m范围内的桩基的下游侧，以及系梁上游侧的上面表面和下游侧下表面的钢筋，经计算后发现，钢筋被屈服。

(2)4#墩承台以上4 m范围内的墩柱下游侧、承台以下3 m范围内的桩基的下游侧，以及系梁上游侧的上面表面和下游侧下表面的钢筋，经计算后发现，钢筋被屈服。

(3)5#墩承台以上3 m范围内的墩柱上游侧，承台以下到2.5 m处桩基的上游侧，以及系梁上游侧的上面表面和下游侧下表面的钢筋，经计算发现，钢筋被屈服，如图7所示。

图7 钢筋应力计算结果Fig.7 Calculation results of steel bar stress

3 纠偏处治措施

Tavenas等[11-12]根据国外相关桥墩位移项目的调查统计结果，针对实际工程项目提出以墩顶支座偏移50 mm为界分级处理的原则，水平偏移大于50 mm时，可引起上部结构的损坏。当水平偏移小于等于50 mm 时，由于桩身最大弯矩相对较小，桩身完好。

3.1 偏移大于50 mm的处理措施

本项目在借鉴分级处理原理的基础上，结合本项目实际场地状况，考虑到较大附加堆载产生的桩侧负摩阻力的影响，对偏移量大于50 mm 的4#墩柱(209.3 mm)、3#墩(64.1 mm)采用桩基顶推、墩顶牵引、抗滑桩这三项技术手段的组合方案进行治理。桩基顶推联合墩顶牵引的技术措施，如图8所示。

(1)对邻近桥墩变形的部位的进行第一次、第二次局部卸载，为了使桥墩桩基回位拥有足够的空间，待第二次卸载完毕后，在桥墩邻近堆土变形影响处设置消能孔。

图8 桩基顶推、抗滑桩、墩顶牵引方案示意图Fig.8 Illustration of pile foundation pushing, anti-slide pile, pier top traction scheme

(2)待消能孔完工后进行第三次卸载，完工后在桥墩偏移方向一侧设置两排灌注桩，并在桩顶设置千斤顶。由于该桥为既有结构，在纠偏复位过程中墩顶支座会产生摩阻力，此时应使用顶推配合，故在墩顶设置牵引机牵引桩基逐步回位。

(3)为防止堆土二次侵蚀已回位的桩基，造成桩基的二次位移破坏，且为方便第四次卸载，在靠近消能孔一侧(堆土运动方向)设置两排抗滑桩，并在抗滑桩桩顶设置锚索进行牵引。

(4)进行第四次卸载，堆土导致的桩基位移及环形裂缝等病害需在此次卸载后进行加固修复。针对环形裂缝及破损较轻的部分采用注射高压砂浆封闭的措施配合碳纤维布进行治理，针对较为严重的环形裂缝及缺陷，采用注射高压砂浆封闭配合环形钢箍的加固修复措施。

(5)平衡堆载保证桩基稳定。待桥墩各部位的病害加固修复后，将第四次卸载区域的一侧及另一侧进行二次平衡堆载，进而保证桥墩两侧的土体压力均衡，避免受损部位的二次破坏、位移等事故发生。

3.2 偏移小于等于50 mm的处理措施

5#墩(41.1 mm)偏移位移小于50 mm，尽管其偏移基桩桩身受力仍满足承载力要求，但为消除安全隐患，需采用一定的加固纠偏措施，本项目结合按分级处理的原则，采用平衡堆载和桩基顶推联合墩顶牵引的处治措施，通过平衡桥墩两侧堆载来防止墩柱进一步偏移的发生，即取3.1方案中第1、2、5三步进行纠偏处理，取消抗滑桩及锚杆设计，第4步保留对原结构损伤的处理，重点在平衡堆载施工。

3.3 纠偏处理过程监测及分析

在桥墩上设置位移监测点24个，后续在抗滑桩上安装了6支钢筋计，18只土压力盒，在抗滑桩旁边钻了6个测斜孔，并在锚索上安装了两支测力计进行锚索张拉力监测。采用全站仪组合数字测斜仪进行监测[13-15]。

(1)纠偏后桥墩支座、墩体监测及结果分析：通过桥墩支座、墩体位移-时间关系曲线(图9)可知，随着时间的推移，其位移变化恢复到原基准位置，且在完工两个月后基本处于稳定状态，取得预期效果，位移量如图10所示；其中，桥墩支座、墩体位移量监测结果与大桥原设计值的差异最大值为12 mm，满足要求。

图9 桥墩支座、墩体位移-时间关系Fig.9 Relationship among pier-beam support, pier displacement-time

图10 桥墩支座、墩体位移量监测结果 Fig.10 Monitoring results of pier-beam support, pier displacement

(2)抗滑桩变形监测及结果分析：通过抗滑桩应力-时间关系曲线可知，随着时间的推移，其应力和温度在施工完成两个月后基本处于稳定状态，取得了挡护的预期效果。

(3)锚索预应力监测及结果分析：经数据分析可知，随着时间的推移应力趋于稳定，说明土体滑坡体蠕变现象得到了控制，土体趋于稳定，达到了设计初期的预期效果。

4 结论

(1)上游侧填土对桥墩所产生的单向土压力是导致下部结构出现的各种病害的主要原因。经现场检测及下部结构数值模拟结果综合分析，3#、4#和5#桥墩发生的位移量与现场实际测结果基本一致，且混凝土开裂位置与现场调查位置基本吻合。

(2)结合现场检测、监测与数值模拟相对比的方法，准确还原了下部结构发生位移事故的致因及病害机理。把土压力按实际位置和高度作用在桥墩上后，经计算桥墩发生了位移，3#、4#和5#墩发生的最大位移分别为64.1 mm、209.3 mm和41.1 mm；得出3#、4#和5#墩最大拉应力和最大压应力均超过混凝土的标准值，直接导致混凝土被拉裂和压碎，3#、4#和5#墩部分位置的钢筋被屈服。

(3)以分级处理为处置原则，提出以桩基顶推、墩顶牵引和设抗滑桩等组合措施进行纠偏处理的方法，使桥墩偏位回归允许范围内，病害缺陷得到修复。在纠偏处理过程中各位移监控指标符合要求，表明事故分析过程准确，方案有效合理，为同类事故处置提供参考。

另外，建议有关部门加强管理，定期检查桥梁两侧堆土问题，避免类似事件发生。

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Mechanism analysis of bridge pier displacement accident of a prestressed concrete box girder bridge

WANG Cheng-ping1, YANG Biao2,LI Xuan3

(1.Department of Architectural Engineering, Xi′an Vocational and Technical College, Xi′an 710077, China; 2.School of Materials and Mineral Resources, Xi′an University of Architecture & Technology, Xi′an 710055, China; 3. Shaanxi Tongyu Research Institute of Highway Co. Ltd., Xi′an 710000, China)

∶ For the complexity and uncertainty of analysis process of pier displacement accident, we simulate and analyze the cause of pier displacement accident and its internal mechanism with the impact of surcharges action of recent fill caused lateral displacement of soil pile of a prestressed concrete box girder bridge pier on the force of pile foundation as a subject and the combination of on-site inspection, comprehensive monitoring and theoretical analysis and numerical simulation. We employ pile top push, pier top traction, anti-slide pile, balance load to conduct rectification and accident management based on hierarchical processing principle and actual situation. Pier deviation therefore returns to the allowable range, and the accident is avoided. We also dynamically monitor the pier, anti-slide pile and anchor rod in the rectification process. Results show that all displacement indicators satisfy the requirements, so the accident analysis is accurate, and the scheme is reasonable and effective and has better disposition effect. The method provides reference for postsurvey of similar accidents, analysis of accident cause and rectification process.

∶displacement accident; numerical simulation; causes of disease; rectifying deviation treatment

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.019

2016-06-10

国家自然科学基金( 51178386) ；住建部科技项目(2015-R3-003)

王成平(1980—)，男，讲师，硕士，研究方向为桥梁检测、建筑工程施工和造价。E-mail: wwccpp1001@sohu.com

TU473

A

1002-4026(2016)05-117-09