预应力钢棒在桥台侧墙加固中的应用

徐金华

(山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原市 030032)

0 引言

U形桥台因构造简单、基底承载面大、应力小、抵抗水平推力能力强等优点，在桥梁工程中被广泛应用。U形桥台适用于填土高度为3～12m的单孔或多孔桥梁，尤其是拱式桥梁。李茂盛[1]对已建和在建的桥台病害的调查表明，U形桥台高度≤8m的均结构良好，而填土高度超过8m的，侧墙均有不同程度的开裂，裂纹发生的位置基本相同，常发生在侧墙与前墙交界部位。谭晓琦[2]、张俭[3]、武建等[4]对桥台病害原因进行了详细分析，如台后填土土质较差、含有黏性土且压实度未达到设计与规范要求、桥台地基承载力不满足要求、桥台的不均匀沉降导致的附加力、车辆超载等。

以上学者均未分析冻胀力对桥台侧墙的影响，通过对桥台侧墙病害现场分析，在收集既有研究成果的基础上，采用midas/fea建立三维空间实体模型， 研究了水平冻胀力对桥台侧墙的影响，得出水平冻胀力为本桥桥台侧墙外倾的主要因素，确定了采用预应力钢棒对锚法作为本桥侧墙加固的实施方案，加固后桥台侧墙外倾趋于稳定，取得了很好的施工效果，其成功经验值得推广借鉴。

1 工程概况

竹溪湖湿地公园位于某市城区西部，紧邻城区。连接道路位于湿地公园范围内，为园区主干道路，湿地公园园区为专供游人通行区域，桥梁为跨越水系的结构物，桥梁主要考虑游人和电瓶车通行，但在特殊情况下需考虑通行消防车辆或其他紧急车辆通行要求，按城B进行荷载验算。

桥梁方案为南侧1号桥采用3跨对称不等跨拱桥，北侧2号桥采用5跨对称不等跨拱桥。1号桥上部结构采用3跨钢筋混凝土板拱，净跨径组合为(10+12+10)m，桥梁全长110m。2号桥上部结构采用5跨钢筋混凝土板拱，净跨径组合为(10+12+14+12+10)m，桥梁全长150m。

拱圈均采用1/2圆弧无铰拱，拱圈厚度40～50cm，采用C30钢筋混凝土，桥梁侧墙采用C25片石混凝土立模浇注，外立面、主拱圈采用环氧砂浆粘贴石材进行装饰。拱圈两侧设置C20片石混凝土护拱，拱顶、侧墙内采用级配砂砾回填压实。

下部结构拱座、承台、桩基均采用C30钢筋混凝土，基础采用群桩基础，桩基直径为1.2m，按摩擦桩设计。桥台侧墙基础采用C20片石混凝土扩大基础。根据侧墙的高度及要求的地基承载力，分别采用双层基础和单层基础。考虑桥梁侧墙较高，地基土湿软，根据侧墙的基础要求承载力，分别采用了复合地基(CFG桩)、片石挤淤+换填砂砾的处置方案，并在每段侧墙之间设置2cm沉降缝。图1为竹溪湖1号景观桥立面图。

图1 竹溪湖1号景观桥立面图

2 病害描述

竹溪湖公园景观桥于2013年开工建设,2015年5月份进行竣工验收时，发现1、2号拱桥侧墙发生整体外倾现象，顶部外倾位移为2cm，底部外倾位移为1cm，根据相关专家意见，对侧墙外倾现象加强观测，未进行处理。2019年4月再次对1、2号拱桥侧墙进行现场调查，发现侧墙整体外倾现象加剧，1号桥的顶部侧墙位移达到5cm。

3 病害原因分析

理论上土压力的大小与桥台侧墙高度密切相关，高度越高，土压力越大[5]。本桥侧墙最大高度为9.3m，侧墙台背采用砂砾进行回填，汽车荷载等级为城B，经计算分析侧墙受力满足设计要求。原设计考虑桥梁侧墙较高、地基土湿软，采用了复合地基(CFG桩)、片石挤淤+换填砂砾的处置方案，可排除地基不均匀沉降引起桥台侧墙外倾。通过现场核实调查，为促进生态恢复，着力提升公园的生态、休闲、娱乐功能及品位，景观桥建成通车后，公园园区长期蓄水，水位持续升高，蓄水水面标高较原设计水位大幅提高，水位高出桥台侧墙基础底面6.5m，桥台侧墙长期处于浸泡状态。分析认为竹溪湖为季节性湖泊，园区水位反复升降，冬季台后填料部分容易积水，当积水发生冻胀效果后，会产生膨胀现象，台后填料的膨胀会导致土压力显著增大，最后导致侧墙外倾。因整个侧墙采用的片石混凝土墙身，墙体抗弯拉能力较差，在台后填料浸水状态下，受水平冻胀力作用下，侧墙发生变形，且变形还有继续发展的趋势。

采用midas/Fea建立桥台侧墙三维仿真有限元模型，侧墙采用C25片石混凝土，基础采用C20片石混凝土，水平冻胀力计算按照土的冻胀级别参照 《水工建筑物抗冰冻设计规范》[6](GB/T 50662—2011)进行取值。通过查阅当地的气象资料，设计冻深为Zd=100cm，天然地表或设计地面高程算起的地下水位深度为Zw=200cm，本桥台台背采用砂砾回填，冻胀量可参考 《水工建筑物抗冰冻设计规范》[6](GB/T 50662—2011)附录C由图C.0.2-3查表为3.5cm，对照《水工建筑物抗冰冻设计规范》(GB/T 50662—2011)土的冻胀分级如表1所示，可得本地区土的冻胀级别为Ⅱ级，土的冻胀力包括切向冻胀力、水平冻胀力和法向冻胀力，其水平冻胀力可根据土的冻胀级别按表2进行取值，本次计算取水平冻胀力荷载值为50kPa，其空间有限元模型如图2所示。

表1 土的冻胀分级

表2 单位水平冻胀力σh

图2 桥台侧墙空间有限元模型

在水平冻胀力及车道荷载作用下，桥台侧墙的应力云图如图3所示，计算分析结果表明，桥台侧墙底部与基础交界处产生了应力集中现象，最大拉应力达到1.85MPa，大于C20片石混凝土抗拉强度设计值，说明在冻胀力作用下，侧墙基础发生开裂，随着裂缝的发展，基础对侧墙的约束越来越弱，侧墙的外倾现象也越来越明显，分析结果与现场情况一致，说明水平冻胀力为侧墙病害的主要原因。

图3 桥台侧墙应力云图(单位：MPa)

4 加固设计方案

反压回填、体外支护、预应力地锚、预应力对锚为侧墙加固的常用措施。反压回填、体外支护需要占用较大的空间，同时将改变结构的外观，如采用以上两种方法将严重影响景观桥的美观性及周围环境的协调性；而预应力地锚、预应力对锚法具有占地少、经济适用、效果显著等优点。结合实际地形、交通需要、侧墙结构形式及病害成因等因素，经桥梁设计、建设、施工、监理等单位及有关专家共同研究, 拟采取预应力钢棒对锚法加固侧墙。通过对桥台侧墙施加预应力，一方面可以通过预应力钢棒对锚法的自锁原理，限制侧墙的外倾现象，另一方面可以降低侧墙底部与基础交界处结构主拉力水平，提高结构抗开裂能力，从而确保结构安全并提高耐久性。

具体加固方法是:在距侧墙顶端2m(A、B块范围内)布置3 排共20根直径16mm预应力钢棒见图4)。侧墙A块范围内：第一排距顶端2m 纵向布置4根张拉钢筋, 间距2.0m;第二排距顶端4m 布置3根张拉钢筋;间距2.0m；第三排距顶端6m 纵向布置4 根张拉钢筋, 间距2.0m。侧墙B块范围内：第一排距顶端2m 纵向布置4根张拉钢筋,间距2.0m;第二排距顶端4m 布置3根张拉钢筋，间距2.0m；第三排距顶端6m 纵向布置2 根张拉钢筋,间距2.0m。

图4 侧墙锚孔示意图(单位：cm)

钻孔时在侧墙外侧搭设钻孔平台，采用XY-2钻机自下而上进行钻孔,从东侧向西侧钻进。在侧墙上钻孔时先用短钻具开孔钻进, 钻穿侧墙混凝土后, 换长钻具钻进, 每钻完一根, 加一根岩芯管跟管钻进。侧墙对拉预应力钢筋采用直径16-2无粘结预应力钢棒，钢筋张拉控制应力0.5fpk，即每根钢棒张拉力为142.7kN,其设计方案见图5。

图5 侧墙横向拉杆示意图(单位：cm)

在侧墙施加预应力进行加固基础上，对侧墙在组合荷载作用下结构受力进行受力分析，计算结构表明，侧墙底部与基础交界处最大应力为-1.2MPa，侧墙的最大位移为0.5mm。

说明侧墙底部与基础交界处处于受压状态，侧墙的外倾现象得到控制，加固效果显著。

图6 槽口平、立面图(单位:cm)

安装预应力钢棒前应对钻孔重新进行检查，对塌孔、掉块等进行清理或处理;安装锚具时，锚具、锚垫板、预应力钢棒必须同轴安装。预应力钢棒应分级张拉，施加预应力时要随时监测墙体的变形情况，确保桥台不产生新的变形。张拉完成后，及时采用C40混凝土封闭外锚头。

5 结论

以竹溪湖湿地公园景观桥侧墙为研究对象，通过对侧墙病害现状进行调查，分析了导致侧墙病害可能原因，利用MIDAS/FEA软件建立侧墙三维仿真有限元模型，并对其进行仿真分析,得出如下结论：在水平冻胀力及车道荷载作用，侧墙底部与基础交界处出现了应力集中现象，最大拉应力达到1.85MPa，大于C20片石混凝土抗拉强度设计值，侧墙基础在应力集中部位发生开裂，随着竹溪湖湿地公园水位的不断升降变化，在反复冻融状态下，基础裂缝继续发展，侧墙外倾现象进一步加剧，分析结果表明，水平冻胀力为侧墙病害的主要原因。在确定侧墙病害外倾的主要原因后，提出了桥台侧墙加固方案，采用对穿预应力钢棒法对桥台侧墙进行加固，通过预应力钢棒对锚法的自锁原理，限制侧墙的外倾现象，施加的体外力改善了侧墙的受力状态，使结构由受拉状态(最大拉应力1.85)转换为全截面受压状态，提高了结构的耐久性；并详细阐述了预应力钢棒设计及施工流程。侧墙加固后，对桥台侧墙进行长期观测，侧墙病害得到控制，验证所采用的加固设计方案可行，加固效果良好，为桥台侧墙的加固设计及施工提供了借鉴。