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基于有限元分析的某跨闽江公路互通立交桥梁桩基加固设计

由于桥梁设计、施工或使用的原因、自然和人为等因素的影响,桥梁基础建设或施工后多年会出现不同程度的损坏和缺陷。为了避免拆除重建,减少投资,充分发挥现有公路基本设施的经济效益和社会效益,对病害桥梁进行改造或者加固就显得尤为必要。现阶段,根据不同情况对基础采取的加固办法有:扩大基础、压注灰浆或硅化土层、加深基础、旋喷桩以及基础托换加固等。其中基础托换技术在许多城市的扩建和改造过程中,特别是修建地铁工程中,大量采用托换技术,积累了较丰富的经验。过去公路桥梁主要是采用抬桩加固的方法,抬桩加固中如有采用对新桩基进行预压就是基础托换技术,如未进行新桩基预压,抬桩加固就是属于新旧桩基一个渐变置换的方法。抬桩加固一般采用横向加桩或者纵向抬桩,但是对横向加桩和纵向抬桩的适用情况、如何设置抬桩桩基,目前较少研究。本文以公路上某匝道桥为例,利用有限元程序,研究了采用横向抬桩、纵向抬桩的受力特性,并为经后桥梁桩基加固设计提供借鉴的经验。1互通立交桥桥桥桩基检测方案某横跨闽江公路桥梁建于2001年。桥梁引桥和互通主线桥均为预应力混凝土连续T梁,预应力混凝土准连续T梁的跨径以25m为主,主桥为双幅,桥梁引桥单幅桥宽为12.25m,互通主线桥单幅桥宽为变宽15.75~23m。互通立交桥两座匝道桥均采用现浇箱梁,桥宽为12m,跨径采用以20m为主。下部构造均采用柱式墩,肋板台,钻孔灌注桩基础。由于上游水电站建成后,导致上游来沙量锐减,且近年非法采沙、抽沙等情况更加严重,再者原有游荡性河道被压缩等原因导致大桥河床标高明显下降。经过有关单位外观检测调查及桩基混凝土强度检测后,发现大桥位于河道中的桥墩桩基外露并受到冲刷等破坏,其中匝道桥原有桩径采用Φ1.40m和Φ1.50m的桩、互通主线桥及主桥引桥采用Φ1.50、Φ1.80m的桩基。原有钻孔灌注摩擦桩基础穿过较厚的中细砂和中粗砂层而将桩底置于较厚的卵石夹土层,见(图1)。大桥地震设防烈度按Ⅶ度设防。2桩身受水流冲刷前后出现严重损害对桥梁进行检测发现,桥梁桩基冲刷状况严重见(图2、图3)。主要存在的以下病害:(1)由于河床受水流冲刷严重,桩身严重裸露在河床之上,裸露的高度最高达到了14m左右;(2)裸露在河床上的桩身,由于受水流冲刷作用,桩身基本上出现了砂石裸露现象;(3)某些桩基的桩身混凝土出现了破损掉块现象;(4)桩身由于受水流冲刷作用,造成了许多桩身钢筋裸露在大气中或者水中,而且发生了严重的锈蚀现象;(5)桩身受水流冲刷作用,桩身某些部位出现了冲刷掏空现象,掏空的洞深最深达到了25cm左右;(6)桩身受水流冲刷作用,出现了凹凸不平现象;(7)由于受水流冲刷作用,有些桩基出现了缩径现象,现场实测的桩身周长比原设计周长最多小了0.28m;3基于基础磨损后桩的单链负荷和墩柱强度的计算3.1对桩侧摩摩阻力的分析原桥柱式桥墩采用摩擦桩基础,取现有冲刷的地面线(现有地面线最深标高已超过原设计最大冲刷标高),根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2007)计算相应的桥梁桩长。计算中通过对原设计地勘资料及规范中对卵石夹土桩侧摩阻力的分析,桩底卵石夹土的桩侧摩阻取值分别采用按地质报告提供的数值120kPa(工况一)和按规范提供的参考值数值140kPa。(工况二)分别计算出相应的桩长,其余计算参数均参考地质报告,计算结果见下(表1):由此上述表格可知,按目前的桩基埋置深度,最不利的墩桩基单桩轴向受压承载力容许值已不满足。根据分析计算,该桥基础承载能力明显下降,应对该桥进行相应的基础加固。3.2匝道桥结构强度墩柱计算的水平力包括土压力、温度力、制动力和地震力,水平力的计算以联为单元进行。升温、降温和制动力按纵向刚度理论进行计算,桥墩地震力按地震反应谱进行计算。桥墩强度计算最关键的一个因素是计算长度的取值,中交公路规划设计院设计大师袁伦一在文献6中对各国规范计算长度的取值进行了论述,上述加固方案墩柱的计算长度,经过与国外规范(见表2)以及福建省交通规划院设计指导书的对比,滑动支座按2倍的实际长度考虑,橡胶支座按1.3倍的实际长度考虑,固定支座按0.7倍的实际长度考虑。匝道桥的支座布置情况为在14号、15号、21号、22号采用四氟橡胶滑板支座,18号墩圆曲线内侧设置固定球型支座,剩下的其余桥墩支座均为单向滑动的球型支座。经计算,主线桥经计算墩柱配筋、桩基所需的配筋为0.5%,主线桥D140柱的实际配筋率为0.96%,D150cm和D180cm桩基实际配筋率分别为0.836%和0.581%,强度满足要求。匝道桥固定支座和连续滑动D140cm的墩柱强度和D150cm的桩基强度已不满足规范要求,其他墩柱接近设计值,匝道桥原有墩柱和桩基的配筋率分别为0.96%和0.836%。根据分析计算,匝道桥箱梁结构的墩柱强度已经接近或者超过设计限制,应对相应的桥墩进行加固。通过以上分析得出:桥梁的支座布置对下部结构影响较大,有时为减小桥梁伸缩缝对行车的影响,设置较长的联长,故在临近交接墩的桥墩设置连续滑板支座,但是注意加强相应的桥墩。4基础加固方案的研究4.1案例总结通过上文对匝道桥计算分析,桥梁桩基础冲刷出露严重,加固维修拟采用抬桩加固提供其基础承载力和桥墩纵向刚度。4.1.1桥桩的新建接枝新桩位于原桩横桥向两侧,两侧各加一根桩,增设承台连接原桥桩间系梁、桩基与新设桩基,承台为一字型。上部荷载通过承台传递至新加桩基,如(图4)所示。4.1.2社会主义抗洪树不同结构的桩基加固方案新桩位于原桩顺桥向两侧,每根旧桩纵向两侧各加一根桩,每个普通墩增加四根新桩,承台为工字型,用承台将每根原有桩基与两根新桩及原桩,上部荷载通过承台传递至新加桩基,如(图5)所示。由于加固项目桥梁主线桥梁均为准连续T梁,匝道桥为预应力连续箱梁结构,根据梁式桥梁受力特点,在原有桩基础冲刷后桩基外露,基础刚度削弱,刚度减弱后对桥梁墩柱强度、桩基承台力、高桩承台的桩基强度造成不利影响。如果采用横向抬桩,能够对桩基础进行加强,解决桩基承载能力的问题,但是对受水平力较大的桥墩不能解决桥墩纵桥向刚度、桥墩和桩基的稳定问题,而且采用横向抬桩由于传力的不直接,承台高度计算值较大,所需桩径较纵向抬桩大。如果采用纵向抬桩,通过采用四根桩加强原桩承载能力,能够解决桥梁基础承载能力问题,也能加强承受水平力较大桥墩的纵向刚度,能较好的解决桥墩和桩基的稳定问题,新增的承台厚度和桩径都较横向抬桩小,但是此方案存在阻水,应进行加固后的行洪论证。最后可以结合横向和纵向抬桩,对桥墩刚度小、承受水平力大、桥墩计算长度较大的桥墩采取纵向抬桩,对桥墩刚度富裕、承受水平力小、桥墩计算长度也小的桥墩采取横向抬桩,这样可以综合两种方式的优点,但是施工繁琐、桩基种类多。通过以上论述可结合大桥的实际情况,合理选用纵向抬桩加固的方法。4.1.3确定要模型1.3和2mm的墩顶位移以匝道桥一联(2×20+4×22+2×20m)现浇箱梁为例,以现有结构采用四种不同的下部基础情况建立模型,模型一按现有下部基础和现有河床地面线建立,模型二按横向抬桩和冲刷总深度20m建立,模型三按纵向抬桩和冲刷总深度20m建立,模型四按横向抬桩和纵向抬桩相结合,冲刷总深度为20m建立。根据上述四种模型得到工况结果分别见表3(模型一)和表4(模型二)、表5(模型三)、表6(模型四)中。其中地震影响力是偶然荷载,与活载不组合。地震力的计算按抗震规范进行,桥墩采用地震反应谱进行计算,大桥地震设防烈度按Ⅶ度设防。从(表3)计算结果可看出:目前的营运的情况下,18号固定支座桥墩承受较大的制动力和地震力,墩顶位移和桩顶位移均较大。原桥涵基础规范规定墩顶位移对于等跨简支梁刚性基础不应超过0.5,式中L为此墩相邻最小跨径,单位为m,小于25m按25m取值,求得的单位为厘米,如果按此条进行设计,一般认为是偏于保守的,按上述公式计算出18号的墩顶位移限值为23.5mm。在新桥涵基础规范中此条文已经删除。对于桩顶位移,基础规范规定的也较少,一般认为,如果计算出的桩顶位移大于6mm,那么需要对m(地基的比例系数)值进行折减,经过折减后计算出的桩顶位移不应大于10mm,因为大于10mm后,土体与桩基础的作用进入非线性状态,m法的计算误差将会比较大。模型一经过m值折减后桩顶位移除了18号墩桩顶位移达到了19.6mm,已经超过了10mm,其他桥墩均在6mm~10mm之间。模型一的桩基配筋率接近或者超过设计配筋率。从(表4)的计算结果可以看出:采用横向抬桩,总冲刷深度为20米的情况下,桥墩的水平力有所增加,但是所有桥墩的墩顶位移均较模型一减少了约27%。桩顶最大位移除了18号桥墩,其余四个桥墩的均未超过6mm。经过横向抬桩后的18号桥墩的桩顶位移虽然较模型一减小了约29%,但横向抬桩的桩顶位移达到14mm,仍然大于10mm。18号墩的桩基配筋率高达1.9%。从(表5)的计算结果可以看出:采用纵向抬桩,总冲刷深度为20米的情况下,桥墩的水平力有进一步增加,但所有桥墩的墩顶位移分别较模型一和模型二减少了约74%和约62%。桩顶最大位移所有桥墩的均未超过6mm。经过纵向抬桩后的最大的18号桩顶位移分别较模型一和模型二减少约77%和69%。采用纵向抬桩经冲刷后,桥墩基础与土地仍未进入非线性状态。桩基配筋率约为0.5%。从(表6)的计算结果可以看出:采用纵向抬桩和横向抬桩相结合的方案,对桥墩受力较不利的边墩和固定墩采用纵向抬桩,其他桥墩采用横向抬桩,总冲刷深度为20m的情况下,采用横向抬桩的16、20号桥墩墩顶位移较模型一增加约27%,17、19号桥墩墩顶位移较模型一增加37%。18号桥墩的墩顶位移均较模型一减少了约74%。所有桥墩桩顶最大位移均未超过6mm。桩基配筋率范围较大,配筋为0.5%~0.8%。采用纵向抬桩和横向抬桩相互组合的方案,虽然横向抬桩能减少一部分工作量,但是采用横向抬桩的桩径至少采用D180cm,而与纵向抬桩一般采用D140cm和D150cm的桩基相比,横向抬桩会造成施工设备的增加,并且采用纵横向抬桩相结合,桩基配筋范围较大,导致桩基的种类的繁多。通过墩顶位移可以看出,由于采用横向抬桩的纵向刚度较小,相应的墩顶位移会偏大。5关于要提高桥墩桩基强度的观点通过对上述匝道桥的加固分析,希望对类似冲刷桥梁基础的维修加固设计有所帮助和借鉴意义。总结上述分析,在今后设计还应注意以下几点:(1)桥梁的支座布置对下部结构影响较大,有时为减小桥梁伸缩缝对行车的影响,设置较长的联长,故在临近交接墩的桥墩设置连续滑板支座,但是相应的桥墩应加强,防止桥墩强度由于自然及人

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