初始偏位梁式桥墩柱力学性能分析

夏宏宇, 张正琦, 程 高, 徐小茹

(1.甘肃省公路建设管理集团有限公司, 甘肃 兰州 730000； 2.长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)

0 引言

据交通运输部统计，中小跨径桥梁数量所占比例达88.77%，桥梁长度所占比例达45.79%，建设规模最大[1]。装配式钢筋混凝土结构或者预应力混凝土结构桥梁单梁由于具有自重小、宜于工厂化预制、运输安装装备成熟等优势，在中小跨径桥梁占有绝对优势[2]。受技术难度、经济成本、建设规模等因素控制，即使在山区沟壑地形，其上部结构仍大量采用中小跨径梁桥，这势必出现较多的高墩柱[3]。对于中小跨径梁式桥，墩高较大且墩柱数量较多时，受施工技术水平、施工装备能力、自然环境恶劣等影响，施工过程中墩柱偏位现象时有发生[4]。若偏位超限，墩柱维修加固或改造施工难度大、经济代价高、社会影响恶劣[5]。开展初始偏位梁式桥墩柱受力性能研究，有助于揭示缺陷墩柱工作状况，制定经济合理的墩柱维修改造方案。

按照受力机理桥梁墩柱偏位可分为使用阶段引起的附加偏位及施工过程引起的初始偏位，二者对桥跨结构的影响存在本质区别。对于连续刚构桥或连续梁桥，墩柱偏位对上下部结构影响机理也不同。张天明[6]报道了重庆菜园坝长江大桥引桥受隧道弃渣影响南引桥某桥墩偏位超限，柱底范围出现大量裂纹，相关单位发现问题后，采取清除弃渣，凿除开裂混凝土并补强。李乾坤[3]针对桥墩局部偏位超限的某连续刚构桥静力特性、动力特性及稳定特性展开研究，指出与桥墩无缺陷的桥梁静力性能相比，墩柱内力及上部结构内力无明显变化。若增大截面，结构自振稍增大，但桥墩及主梁控制截面处的内力基本无变化；若增加系梁，仅对结构地震响应有所帮助。陈伟明[7]等针对有初始缺陷的薄壁高墩大跨径连续刚构桥施工阶段稳定性展开研究，得出初始缺陷对高墩稳定性有所降低，纵桥向的初始几何缺陷较横桥向对稳定承载力影响大。张刚[8]对某铁路桥桥墩偏位原因及纠偏措施展开研究，指出桥墩附近地铁开挖施工是引起偏位的主要原因，采取了定向喷射注浆桩、设置应力释放孔和变形槽等措施进行墩柱加固和纠偏整治。曾勇[9]开展了某连续梁桥桥墩纠偏的顶推受力分析研究，指出在墩柱结构安全允许时，可将竖向顶升千斤顶放置在桥墩顶部以顶升主梁，在主梁底部安装纵向和横向复位千斤顶进行墩柱纠偏。可见，现有研究尚未有针对施工阶段初始偏位墩柱梁式桥受力机理的研究报道。为此，本文拟围绕墩柱初始偏位，归纳墩柱偏位出现类型及内力分布特征，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，从而把握偏位墩柱的受力特性，以便于有针对性地制定墩柱加固维修方案，对减少工程投资具有重要的参考价值。

1 初始偏位墩柱分类与内力解析

连续梁桥墩柱主要受到竖向支反力、水平支反力以及墩柱的自重作用。其中竖向支反力主要由主梁自重、二期恒载及汽车活载引起；水平支反力包括顺桥向水平支反力和横桥向水平支反力，其中顺桥向水平支反力主要由汽车刹车力产生，横桥向水平支反力主要由风荷载引起。墩柱的底部边界条件可等效为墩底固支边界、墩顶为自由边界，竖向支反力、水平支反力可等效为集中荷载，墩柱的自重可等效为沿墩柱高度方向的均布荷载。由此得到，墩柱的受力模式如图1所示。图1中P为竖向支反力，F为水平支反力，q为自重荷载，Δ为墩柱墩顶偏位值。

图1 墩柱的计算图式

基础开挖、堆土、积水、施工误差等不利因素影响均可能导致桥墩偏位。墩柱的偏位具有方向性，可分解为顺桥向偏位和横桥向偏位2个方向。因此，空间偏位的墩柱内力分析可转化为平面问题。桥墩墩柱可能偏位的几种典型情况如图2所示。图2(a)为墩柱整体发生偏位，图2(b)～图2(e)为墩柱局部偏位情况，图2适用于顺桥向偏位和横桥向偏位的情形。

图2 墩位可能出现的偏位

为便于分析偏位对墩柱内力的影响，按照叠加原理，可先求解竖向支反力、水平支反力以及墩柱的自重单独作用下结构内力分布规律，后进行内力叠加。竖向支反力与墩柱自重均为竖向力，二者作用下墩柱的内力分布规律差异较小，可合并计算分析。

图3给出了竖向支反力和墩柱自重共同作用下墩柱的内力分布情况。由图3可知，墩柱偏位后将产生附加弯矩和附加剪力，使墩柱的受力状态发生实质性改变，由纯受压作用转变为压弯剪共同作用。由图3(a)可知，墩柱出现偏位后，偏位处墩柱产生附加弯矩，整体偏位、局部偏位I及局部偏位II即墩顶发生偏位时最大弯矩出现在墩底，局部偏位III墩柱及局部偏位Ⅳ时即仅墩身发生偏位，而墩顶不发生偏位，最大弯矩出现偏位方向突变处。由图3(b)可知，墩柱出现偏位后，偏位处墩柱产生附加剪力，非偏位区域剪力为零。由图3(c)可知，墩柱出现偏位前后轴力分布规律一致。

图3 竖向力作用下墩柱内力分布

图4给出了水平支反力单独作用下墩柱的内力分布情况。由图4可知，墩位偏位后将产生附加轴力，使墩柱的受力状态由弯剪作用转变为压弯剪共同作用。由图4(a)可知，墩柱出现偏位后，仅改变墩柱弯矩量值，不改变最大弯矩出现位置。由图4(b)可知，墩柱出现偏位后，剪力图分布规律发生改变，由均匀分布变为呈线性变化趋势。由图4(c)可知，墩柱出现偏位后，偏位区域墩柱产生附加轴力，非偏位区域轴力零。

图4 水平力作用下墩柱内力分布

结合图3和图4进行内力叠加后，可得到竖向支反力、水平支反力及墩柱的自重共同作用下直墩、偏位墩的弯矩、剪力及轴力分布规律，如图5所示。由图5可知，墩位偏位后将产生附加的弯矩、剪力和轴力，放大墩柱的压弯剪作用，改变墩位的受力状态，甚至使最大弯矩出现位置发生改变。

图5 墩柱的内力图

2 工程案例分析

2.1 工程概况

某大桥全长112m，跨径组合为3×35m，上部结构为装配式预应力预制混凝土连续箱梁，结构体系为先简支后连续，下部采用柱式墩台，墩高35m，桥台及桥墩均采用桩基础，桥梁总体布置如图6所示。

图6 总体布置图

表1给出了该桥墩柱竖直度专项检测结果。由表1可知，该桥2-1#墩柱的墩身竖直度超过了《公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程》 (JTG F80/1-2017)第 8.6.1 条(5m60m，竖直度≤H/3 000，且≤30mm，H为墩身高度)的要求[11]，属于缺陷墩。

表1 墩柱竖直度检测结果Table 1 Verticality test results of piers墩柱编号测试位置距墩底高度/m偏位值/mm倾斜率/%裂缝情况下截面-中截面16.74164.60.39未见2-1#墩柱中截面-上截面14.87961.50.41未见下截面-上截面31.620126.10.40未见

墩柱因施工引起初始偏位，需建立直墩和缺陷墩模型，以分析墩柱偏位对桥梁结构静、动力性能的影响。先建立全桥杆系有限元模型，进行正常使用极限状态下和承载能力极限状态下结构计算，得到墩柱的支反力，以此为荷载条件施加墩柱实体有限元模型，得到墩柱的应力及位移，从而评价墩柱的强度、刚度及稳定性。

2.2 全桥结构分析

2.2.1结构建模

利用Midas Civil 2015建立全桥模型，全桥构件均采用一般梁单元建立，模型中以桥墩发生偏位后的状态为其初始状态建立模型，结构采用装配式预应力预制混凝土连续箱梁，不考虑材料材龄、水化热等的影响。并建立直墩模型，通过与缺陷墩模型的纵桥向弯矩、剪力、轴力以及全桥基频等参数对比来分析桥墩偏位对全桥力学性能的影响，全桥模型如图7所示。模型中考虑的荷载有：结构自重、二期恒载、汽车荷载、地震荷载、整体升降温、温度梯度和支座沉降等；荷载组合方法为承载力极限状态下作用组合即1.1×(1.2×恒载+1.0×支座变位+1.4×活载)和正常使用极限状态下作用组合即1.2×恒载+0.7×活载(不含汽车冲击力)。

图7 全桥模型示意图

2.2.2结果分析

根据杆系结构整体计算结果，形成缺陷墩后，桥梁结构的固有频率、屈曲模态几乎没有变化。提取了正常使用状态下和承载能力极限状态下主梁及墩柱的内力及变形结果，以及地震力作用下墩柱的内力及变形情况。由于篇幅有限，在此，仅给出内力及位移的最大值进行比较，分别如图8、图9所示。由图8可知，形成缺陷墩后，墩底最大弯矩略有增大，而对主梁的内力及变形几乎没有影响；正常使用极限状态下墩柱的最大弯矩增加了7%，承载能力极限状态下几乎无变化。地震力作用下，墩柱的最大弯矩、剪力、轴力和位移值均有所减小，这是由于相对于直柱，柱倾斜后轴向刚度对侧向刚度的贡献会明显增加。图8及图9中，弯矩单位为kN·m，轴力及剪力单位为kN，位移单位为mm。

图8 整体计算结果对比

图9 地震力作用下墩柱整体计算结果

2.3 双柱式桥墩结构分析

2.3.1结构建模

墩柱有限元模型采用有限元软件Abaqus，混凝土采用实体单元，钢筋采用三维桁架单元，采用embedded命令嵌入混凝土实体单元中。网络划分采用结构化网格划分技术。墩底采用固结边界条件，根据整体分析计算结果，施加支反力。模型中不考虑支座的剪切刚度作用，有限元模型及网格划分如图10所示。

2.3.2结果分析

根据实体有限元计算结果，得到直墩及缺陷墩柱的最大应力及最大水平位移，如图11所示。由图11可知，形成缺陷墩后，正常使用极限状态下墩柱钢筋最大压应力和最大拉应力增加不明显；墩顶最大水平位移增加了12.6%；混凝土主拉应力几乎不变。承载能力极限状态下墩柱钢筋最大压应力增加了17.8%，但低于钢筋的应力容许限值，最大拉应力增加2%；混凝土主拉应力几乎不变。图11中应力的单位为MPa，位移的单位为mm。

(a)钢筋模型

图11 墩柱应力及位移

3 研究结论

论文先归纳了墩柱偏位类型，并分析墩柱内力及变形分布规律，接着以具有初始缺陷墩柱的梁式桥为例进行了结构整体分析及实体有限元分析，得到了墩柱初始缺陷对桥梁自振特性、模型，主梁的内力及变形，墩柱的应用及位移等影响规律。具体结论如下：

a. 墩位偏位后将产生附加的弯矩、剪力和轴力，放大墩柱的压弯剪作用，改变墩位的受力状态，甚至使最大弯矩出现位置发生改变。

b.形成缺陷墩后，桥梁结构的固有频率、屈曲模态、主梁的内力及变形几乎没有变化。形成缺陷墩后，墩底最大弯矩略有增大。地震力作用下，墩柱的最大弯矩、剪力、轴力和位移值没有增大反而有所减小。

c.形成缺陷墩后，正常使用极限状态下墩柱钢筋最大压应力和最大拉应力增加不明显，混凝土主拉应力几乎不变，墩顶最大水平位移增加了12.6%。承载能力极限状态下墩柱钢筋最大压应力增加了17.8%，但低于钢筋的应力容许限值，最大拉应力增加2%，混凝土主拉应力几乎不变。