桥台侧墙病害分析及预应力钢棒加固技术研究

马宁

U型桥台因结构结构简单、承载能力强、应力不高、抵抗水平推力强等优点，在各类桥梁工程中得到普遍应用。从现有桥台损坏问题研究，U型桥台高度只要不超过8m能够保持较好的结构性能，但是，如果填土高度大于8m，侧墙都会出现不同情况的开裂，裂缝出现位置基本上都是一致的，往往都在侧墙和前墙衔接处位置。本文在研究中，主要对桥台侧墙使用现状进行研究，采用Midas/fea仿真分析构建当前三维空间模型对桥台侧墙受力情况仿真分析，结合计算结果证实：在水平冻胀力及车道荷载共同影响下，侧墙底部位置和基础工程衔接处出现大面积集中应力现象，最高拉应力达到2.13MPa超过桥台结构承受拉应力的极限，导致侧墙底部位置和基础工程衔接处出现裂缝间隙，甚至部分区域断裂，造成侧墙向外倾斜度加大，以此得到水平冻胀力是现阶段桥台侧墙出现损坏的主要原因。通过确定侧墙病害原因后，针对性提出桥台加固方案，应该使用预应力钢棒对锚法对出现问题的侧墙加固，并且全面明确预应力钢棒设计方案和施工步骤。在整个加工工程完成后，并在后续使用期间使用动态化监控判断加固方案是否有效，加固后整体侧墙稳定系数提升，有效保障桥梁工程使用安全，为各类桥台侧墙加固设计及施工提供借鉴意义。

某森林公园处于某区域城市的南部，与郊区非常接近。与城区衔接道路主要处于森林公园内部，为园区的主要道路，森林公园有专门设置游客步行区域，桥梁主要作为跨水区域的结构物体，桥梁需要保障游客和小型机动车通行，但是，园区出现特殊情况下应该可以保证消防救援车辆及其他应急车辆通行，按照成A计算荷载量。桥梁施工方案中南部区域是1号桥梁，主要使用7跨对称不等拱桥，北部区域是2号桥梁，主要使用3跨对称不等拱桥。1号桥梁上部结构主要使用7跨钢筋混凝土作为板拱，净跨径为（8+10+12+15+12）m，桥梁全长220m。2号桥梁上部结构主要使用3跨钢筋混凝土板拱，净跨径为（9+12+8）m，桥梁全长120m。所有拱圈在施工中，全部使用1/2圆弧，不附带铰供，拱圈厚度为45～55㎝，整体构造使用C30钢筋混凝土，桥梁侧墙使用C25混凝土，并且加入片石浇筑而成，外部表面、主拱圈都使用环氧砂浆粘上相应材质石材作为装饰物。在拱圈两侧位置使用C25混凝土加片石作为护供结构，所有拱顶和侧墙都使用级配砂砾回填后压实。下部结构主要包括拱座、承重台、桩基三个部分，都使用C30钢筋混凝土，基础施工部分全部使用群桩，桩基直径达到1.5m，均采用摩擦桩施工。桥台侧墙使用C25混凝土，并且加入片石浇筑而成。结合桥梁工程的要求，侧墙高度及其地基承载力都使用双层和单层基础。并且，桥台侧墙高度大，地基软弱，依据侧墙施工要求和承载力大小，主要使用复合地基、片石+换填的处理方案，并且每段侧墙间都使用3m沉降缝。图1为2号桥梁工程图。

图1 2号桥梁工程图

1.病害现状分析

该桥梁于2010年开始施工建设，并于2018年完成竣工验收，但是，发现1号和2号桥梁中侧墙都有非常明显的外倾现象，顶部外倾最为严重，基本上达到2㎝，底部外侧也有明显外倾，达到1㎝，结合验收组专家意见，对侧墙倾斜情况常态化观测，并没有采取任何处理。2020年8月分别对1号和2号桥梁侧墙倾斜情况进行现场勘察，整体侧墙外倾现象更为明显，1号桥梁顶部倾斜位移达到6㎝。

2.病害形成原因分析

从桥梁施工理论而言，一般情况压力大小和侧墙高度有着密切关系，高度越低，压力也就越小。研究中侧墙高度不同，但是，最高处达到10.5m，侧墙台背全部使用砂砾回填形成，机动车载荷等级只能达到城B，通过计算后判断出侧墙受力系数是满足施工方案设计要求的。以往在设计过程中，高度重视侧墙高度及地基软弱的特点，使用复合地基、片石+换填的处理方案，能够有效缓解地基存在的问题，保障桥台侧墙稳定性。结合区域实地勘查得知，为更好地保护生态环境，充分增强公园的各方面品质，所有桥梁竣工使用后，园区开始大面积蓄水，水位相比较工程修建时不断升高，蓄水水面高度超过以往工程设计标高，整体超出侧墙基础工程8.6m，侧墙所处位置长时间在水中浸泡。而且，该区域湖泊并非是常年都存在的，而是因当期气候原因属于季节性湖泊，水位高度反复，在冬季时期基础填料部分很容易出现大面积积水，一旦积水后增强冻胀强度，直接会形成膨胀情况，加上填料膨胀增大土层压力，导致桥台侧墙倾斜形成。加上，整体侧墙都是使用片石+混凝土形成，整体抗弯拉能力不强，一旦出现浸泡中，水平冻胀力持续增强，侧墙开始产生变形，而且变形趋势会随着时间加剧。

通过Midas/fea仿真分析构建桥台侧墙三维模型进行仿真分析，侧墙全部使用C25混凝土+片石结构，基础施工部分采用C20混凝土+片石结构形成，水平冻胀力在计算中根据《水工建筑物抗冻设计规范》得出。结合区域气象数据资料，冻深确定为Wd=150㎝，地下水位深度需要设计为Wd=250㎝，桥台台背使用砂砾进行回填。并且，冻胀分级如表1所示，明确区域冻胀级别为第二等级，土产生的冻胀力有切向冻胀力、水平冻胀力和法向冻胀力，其中研究中选择水平冻胀力，土的冻胀等级需要按照表2进行确定，选取水平冻胀力的荷载数值应当为60kPa。

表1 土的冻胀等级

表2 单位水平冻胀力M

在水平冻胀力和通行车辆荷载影响中，桥台侧墙应力经过模拟测算后，底部区域和基础结构衔接处应力非常集中，最大达到2.13MPa，超过侧墙设计方案承受最大抗拉强度的最大值，这充分证明在冻胀力影响下，侧墙部位出现明显开裂，并且随着裂缝加大，基础结构对侧墙束缚作用力越来越小，侧墙外倾力度越来越大，分析结果和现场勘察情况相同，这证实水平冻胀力是当前此处桥梁产生病害的主要因素。

在桥台侧墙加固中，有着诸多加固方案，如反压回填、预应力对锚法等，都是常用的加固方法。但是，反压回填在施工中需要很大的空间，并且会对外观结构改变，一旦采用这种方式会影响到桥梁的美观性，也会对周围环境的和谐性破坏；
预应力对锚法在施工中仅仅需要很小的空间，施工成本较低，加固效果好。根据具体施工区域情况、交通通行需求、侧墙结构类型、病害形成主要原因等因素的综合分析，经过桥梁施工、设计、建设、监理等单位及相关专家的论证分析，决定使用预应力钢棒对锚法对侧墙进行加固。在施工中，对桥台侧墙一侧增强预应力。既可以发挥出预应力钢棒的自锁特性，有利于制约倾斜向外扩张，也可以削弱底部结构和基础机构的拉力水平，充分增强整体结构的抗开裂能力，从而充分保障桥台结构的安全，也能增强桥台结构的使用寿命。

从具体加固施工步骤而言，在侧墙距离顶部区域2m位置布设5排40根直径20㎜预应力钢棒。在施工作业中，将作业区域按照不同病害情况进行划分，明确各个部分使用的张拉钢筋数量。针对本次加固区域中，将作业区域划分为A、B、C、D四部分。其中，在A段施工区域中，主要使用5排预应力钢棒，每隔2m设置一排，并且布置4跟张拉钢筋。在B段施工区域中，也是使用5排预应力钢筋，每隔2m设置一排，使用3根张拉力钢筋。在C施工区域中，也是使用5排预应力钢筋，每隔2m设置一排，使用6张拉力钢筋。在D施工区域中，也是使用5排预应力钢筋，每隔2m设置一排，使用4张拉力钢筋。所有钢棒都使用钻孔方式进行固定，通过搭设钻孔平台，使用钻机进行钻孔。在侧墙钻孔作业前，需要使用短钻头施工作业，一旦穿过侧墙后，应当更换长钻头，每完成一个钻孔，都需要更换岩心管。侧墙中使用的钢筋都要采用20-2无粘结预应力钢棒，张力需要控制在0.5fpk。在加固中，需要对侧墙结构受力情况分析，底部结构和基础结构部分衔接处最大应力应该为-0.8MPa，侧墙最大倾斜距离是0.5㎜。这证实桥台侧墙底部结构和基础结构衔接处一直都是受压状态，侧墙外倾情况得到有效缓解，加固效果明显。为保障桥台侧墙受力都是相等的，避免侧墙内部结构出现相互挤压情况出现，应当对所有锚点区域开槽，深度应当达到12.5槽口底部大小为9×10.6㎝，顶部大小为9.5㎝×12.2㎝，槽口底部应当设置1.6㎝锚垫板，平面、立体图如图2所示。通过计算可知，混凝土需要承受压力为278.8kN，符合当前局部承压要求。

图2 平、立面图

在所有预应力钢棒安装过程中，都需要对已经钻孔的位置进行检查，对其中存在的塌孔和杂物的都要进行合理处理；
安装锚具中，锚具、垫板、钢棒都要一起安装。并且，预应力钢棒都需要分级设置张拉，在施加预应力过程中，需要对桥台墙体变形情况进行监测，保障不会形成新的变形。张拉形成后，需要立即使用C40混凝土封闭外部所有锚头。

文章在研究中，以某公园桥梁建设中的桥台侧墙为研究对象，通过对当前桥台侧墙出现问题进行全面勘察，分析出桥台侧墙病害形成的主要影响因素，也利用Midas/fea构建三维仿真模型，并且对其进行仿真分析，从而得到研究结论：在水平冻胀力和通行车辆载荷影响中，桥台侧墙底部结构和基础工程底部结构衔接处产生应力集中现象，最大拉应力达到2.13MPa，超过当前混凝土结构所承受的最大抗拉强度，侧墙基础结构基本上全部产生不同程度的开裂，并且在地下水位上涨过程中，在反复冰冻和融化作用下，侧墙开裂程度进一步加剧，这说明桥台侧墙产生开裂的主要原因是水平冻胀力造成的。在找出桥台侧墙病害形成原因后，制定了预应力钢棒加固施工方案，使用穿孔施工办法对桥台侧墙加固，充分发挥预应力钢棒的自锁性能，制约侧墙外倾扩张速度，借助外部施加的压力调节了侧墙受力情况，确保从以往的2.13MPa局部受力转变为全部受力，增强侧墙结构的使用寿命，并且也阐述加固方案的施工流程。在桥台侧墙加固方案完工后，也对加固桥梁侧墙位置进行长期监测，后续侧墙病害问题基本没有产生，说明预应力钢棒加固方案可行，形成的加固效果好，为后续其他桥梁工程中桥台侧墙加固提供了借鉴依据。

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