施工偏位对预应力连续梁桥墩身承载力的影响分析

李鹏飞 陶小委

（1.河南省豫南高速投资有限公司，河南 信阳 464000；2.黄河交通学院交通工程学院，河南 焦作 454150）

0 引言

桥墩是支撑桥跨结构并将恒载和活载传至地基的结构，是桥梁的重要受力结构。在上部荷载作用下，桥墩一般为轴心受压或小偏心受压构件。柱式桥墩一般采用分节段现浇施工，节段高度根据墩身高度及施工方法确定。墩身分节段施工应采取有效措施，确保墩身垂直度满足要求。受测量误差、模板变形等因素影响，桥墩在施工过程中时常发生因放样错误或控制不当造成的超出施工规范和验收标准限值的轴线偏位［1］。桥墩的轴线偏位将增大结构在轴向压力作用下的挠曲二阶效应，引起较大的附加弯矩，改变结构的受力状态。对于施工中造成的桥墩偏位，应进行详细检测并通过计算分析评估对桥梁结构的影响。张赞鹏等［2］以某桥梁因渣土堆积造成桥墩偏位超限为例，对桥墩偏位超限所在桥跨结构进行外观检测、实体检测和安全评估计算。徐小茹［3］、夏宏宇等［4］以某墩柱偏位超限高墩连续梁桥为例，建立全桥杆系结构与墩柱实体结构有限元模型，分析墩柱偏位超限对主梁、墩柱的内力、变形及稳定性的影响。本研究以某跨径组合为5×30 m 公路桥梁为工程背景，对桥梁3#墩偏位进行了检测，并对桥墩承载能力和抗裂性能进行了评估计算，分析了桥墩偏位对结构的影响。

1 工程项目背景

某公路桥梁跨径组合为5×30 m，桥梁全长160 m。桥梁上部结构采用30 m 预制小箱梁，先简支后结构连续体系。桥墩采用圆柱式墩、单排桩基础，桥横断面布置如图1 所示。主梁和现浇湿接缝均采用C50 混凝土，调平层采用C40 混凝土。桥墩墩身、盖梁和系梁采用C35 混凝土，桥台台帽、耳背墙、肋板采用C35 混凝土，承台采用C30 混凝土，桩基采用水下C30 混凝土。桥梁设计荷载等级为公路-Ⅰ级，设计基准期为100年，所处环境类别Ⅱ类，设计洪水频率为1/100，设计安全等级为一级。在桥梁施工过程的质量检测中，发现左幅3#墩立柱存在偏位，墩柱竖直度超过规范［5］允许值。为保证桥梁的建设质量和建成后的运营安全，需要评估桥墩偏位对桥梁结构受力和安全影响。

图1 桥梁横断面布置（单位：cm）

2 桥墩偏位检测

2.1 桥墩偏位检测方法

根据检测方式不同，桥墩偏位检测分为有接触检测和无接触检测。有接触检测包括激光垂准仪法、垂线法和靠尺法等，测量时需要将仪器接触墩身。有接触检测受现场条件限制较大，一般需要额外的检测作业车等设备，检测难度较大且准确性难以保证。无接触检测一般采用无合作目标型全站仪，在无反射棱镜的条件下，对目标直接测量。对不便安装反射棱镜的桥墩，无合作目标型全站仪具有明显优势。本研究桥墩偏位检测采用徕卡Nova TS50 高精度全站仪，测角精度为0.5 s，无合作目标距离测程可达1 000 m。

2.2 桥墩偏位检测结果

桥墩采用圆柱式墩，基础为单排桩基础。墩身立柱直径1.6 m，桩基直径1.8 m。采用无接触桥梁立柱偏心测量法［6］，对桥梁3#墩立柱偏位情况进行检测，结果表明：3-1#立柱高6.274 m，柱顶横桥向左偏27.1 mm，纵向偏向大桩号15.2 mm，立柱合成最大偏位31.1 mm，垂直度4.96‰；3-2#立柱高6.143 m，柱顶横桥向左偏9.0 mm，纵向偏向大桩号3.2 mm，立柱合成最大偏位9.6 m，垂直度1.55‰。

3 基于模型的支座反力计算

3.1 有限元模型的建立

有限元将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法在工程领域的应用越来越普遍，已成为一种应用广泛、实用高效的数值分析方法。有限元法求解问题的基本过程主要包括分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。

Midas Civil软件是一款主要针对桥梁结构分析与设计的有限元软件，在国内拥有大量的用户群，工程应用较为广泛。为了准确计算上部结构的恒载和活载，以便对左幅桥3#墩进行承载力和抗裂计算。利用Midas Civil 有限元软件建立上部结构5×30 m 连续箱梁空间有限元模型，如图2 所示。根据设计支座布置，采用弹性连接和一般支撑模拟支座边界。根据设计车道数和位置建立车道作用线，并建立车道荷载模拟汽车荷载作用。

图2 5×30 m连续箱梁空间有限元模型

3.2 桥梁支座反力的结果

公路桥梁设计应考虑结构上可能同时出现的作用，按承载能力极限状态、正常使用极限状态进行作用组合，取其最不利组合效应进行设计。根据规范要求［7-8］，分别按承载能力极限状态基本组合、正常使用极限状态频遇组合计算，得出桥梁3#墩支座反力见表1。由于3#墩为5×30 m 连续桥梁的中墩，按最不利情况，支座按纵向固定考虑，计算整联支座反力如图3所示。

图3 支座在最不利荷载下的反力（单位：kN）

表1 3#墩在各荷载组合下的支座反力

4 桥墩的承载力和抗裂验算

4.1 3#墩的受力计算

利用Midas Civil 有限元软件建立3#墩盖梁、立柱和桩基的有限元模型，并将上部结构荷载按支座位置施加于盖梁上进行计算分析。参照地质勘察报告和地基规范［9］中土层力学参数设置土弹簧，考虑桩土相互作用。在3.2节中计算的支座反力和结构自重作用下，3#墩在最不利基本组合下立柱最大弯矩为-3 005.0 kN，最大轴力为-6 562.1 kN，最不利基本组合下桥墩受力见图4；3#墩在最不利频遇组合下立柱最大弯矩为-1 502.7 kN，最大轴力为-4 885.0 kN。

图4 最不利基本组合下桥墩受力图示

4.2 墩柱截面强度验算

柱底截面为受力最不利截面，根据4.1 节桥墩受力计算结果，并考虑桥墩倾斜偏位产生的附加弯矩影响，对于偏位值较大的3-1#立柱计算柱底截面受力见表2。根据桥墩立柱设计混凝土强度、柱底截面配筋布置和其他设计参数，按规范［7］计算柱底截面抗力承载力受力见表3。3-1#立柱截面抗力Mj=9 247.90 kN·m＞计算弯矩M=3 208.43 kN·m，抗力Nj=18 914.43 kN＞计算轴压力N=6 562.10 kN，墩身截面强度满足要求，且承载力仍有较大富余。

表2 3-1#立柱墩底受力计算结果

表3 3-1#立柱墩底截面抗力验算结果

4.3 墩柱截面抗裂验算

根据桥梁图纸截面配筋，按最不利荷载组合对3-1#立柱截面强度和裂缝宽度进行验算，桥涵所处环境类别为Ⅱ类，裂缝宽度限值为0.2 mm。由表4中裂缝宽度验算结果可知：3-1#立柱计算裂缝宽度0.036 0 mm＜裂缝宽度限值0.20 mm，墩身计算裂缝宽度满足要求。

表4 3-1#立柱墩底截面裂缝宽度验算结果

5 结语

桥墩主要作用是承受上部结构传来的荷载，并通过基础将荷载及本身自重传递到地基上。因此，桥墩是桥梁的主要受力构件，其受力安全对桥梁结构至关重要，在施工过程中应严格控制施工质量。当出现施工误差造成墩身倾斜时，应及时对桥墩垂直度进行检测，评估其对桥梁结构造成的不利影响，判断结构承载能力和抗裂性能是否满足设计要求。本研究以某跨径组合为5×30 m 预应力混凝土箱梁桥为工程背景，采用无接触桥梁立柱偏心测量法对出现偏位的3#桥墩进行垂直度检测。依据检测数据，结合规范要求采用有限元计算分析方法，对桥墩承载能力和抗裂性能进行了评估分析。结果表明，对于高6.274 m 的圆柱形墩身立柱，在垂直度4.96‰时，墩身截面强度和抗裂能力仍能满足设计要求，且承载力仍有较大富余。偏位后的桥墩仍能满足正常使用要求。