预应力钢绞线对桥台的加固方法
2015-04-14
1 桥概况
某大桥是一座净跨 ，净矢高 ，矢跨比1/4，拱轴系数m=1.756等高变宽空腹式石肋拱桥，主拱圈厚160cm。全桥设4条拱肋，两条边肋由380cm直线变化到260cm，中间两条拱肋宽由500cm直线变化到260cm，宽度均从拱脚变化到第一个拱上横墙。相邻两条拱肋用钢筋混凝土框架式系梁连接，实腹段拱肋用粗料石拱波连接，腹拱段采用煤渣填料。设计荷载汽超－20，挂－120，人群3.0kN/m2，桥面宽度为净15＋2×3m人行道。两岸桥台均采用重力式U型桥台，小石子片石、外镶嵌90cm厚粗料石。桥台高27.916m，顺桥向长23.76m，宽24m，基础直接布置在强风化层上，厚度达11.09m，桥台病害就发生在该桥台上。
双岸桥台开裂始于施工过程中，当时由于工期影响和调配土方困难，因此仅在台内回填土，而两侧锥坡没有同时填筑，当台背回填至桥台顶面3.9m，在侧墙与前墙相交部位的前墙处开始出现裂纹。裂缝出现过程：1997年6月发现有细微裂缝，同年7月6日粘贴玻璃，7月8日玻璃拉裂1mm，7月14日裂缝突然剧增为9.5mm。在出现裂缝初期没有停止台内填土，直到裂缝剧增后才停止。
上述桥台的特点是，桥台宽度大，为24m，同时桥台高度大，为27.916m。桥台开裂的特征是在桥台台内填土过程中出现开裂，并且裂缝发展迅速。可见，台内填土对桥台的影响是十分显著的，应计入土压力的影响。
2 模型建立
2.1基本模型
桥台模型为三维有限元模型，模型形状及尺寸按实际比例1:1绘制。单元全部采用空间4结点实体单元[1]。桥台结构物本构关系全部采用各向同性线弹性，填土影响按土压力考虑。整体有限元模型所受荷载类型及大小与平面理论计算部分相一致，荷载采用土压力和车辆荷载的组合。考虑土压力变化规律，将其以面荷载形式分别施加到前墙与侧墙背面。
桥的材料性能E=2.4e4MPa,泊松比ν＝0.16，质量密度m=2400kg/m3；桥台的墙背与台内填料的摩擦角均取 ，并假定台内填土土质是单一的和各向同性的，填料采用粘性土， ，内摩擦角为 ；假定地基整体沉降已结束, 即不考虑地基变形影响，视地基为刚性,尽量消除边界效应对模型计算的影响。
2.2土压力计算
桥台侧墙土压力公式由
确定，
前墙土压力计算均采用库仑定理公式计算[2] [3] 。将实桥的相关参数输入得：
实桥：墙背与填料间摩擦角 ，墙背倾角 , ＝45.42o，b=22m，H=27.912m，代入上述公式后得， ， ， ，h1=58.522>27.912m(舍)，h2=2.2494m(>0)，故取。因此该桥侧墙土压力E=4300.15KN。
2.3 加固措施
由于桥台加固属于病害后加固，考虑实际施工的可操作性，决定将拉筋位置布置在桥台高度约1/3处，桥台8m处。桥台采用预应力钢绞线对拉两侧墙的加固方法。
桥台加固方案是通过对拉预应力钢绞线来抵抗9m高的台内填土及填土之上的汽车荷载（汽超－20）引起的水平土压力。根据计算，采用高强预应力钢绞线拉筋。拉筋布置在距侧墙顶面5m，7m和9m处。第一排(5m处)拉筋每2m一束，共8束。每束拉筋由4根钢绞线组成，共张拉400KN。第二排（7m处）拉筋每2m一束，共5束。每束拉筋由6钢绞线组成，共张拉600KN。第三排（9m处）拉筋每2m一束，共4束。每束拉筋由6钢绞线组成，共张拉600KN。
3计算分析与结果对比
实际上，除了土压力因素，桥台的开裂原因都比较复杂，桥台尺寸，地基的不均匀沉降，台内回填的工序问题等等。但基于本文的研究中心，现仅从土压力方面分析。
3.1加固前后，桥台最大主应力云图比较
从图3可以看出，桥台加固后隅角处的应力值有较大改善，加固后隅角处的最大主拉应力值为1.71MPa，比加固前降低了66％；侧墙翼尾墙踵处的最大主拉应力值从1.28MPa降低到0.872MPa,比加固前降低了31.8％。可见，预应力钢绞线对拉两侧墙后，对整个桥台的受力改变较大，特别是隅角处，大大降低了桥台在此处的开裂机率。
3.2加固前后，桥台最大变形云图比较
(a) 加固前(b) 加固后
显然，在桥台对拉预应力钢绞线后，桥台两侧墙变形明显收敛了很多，从加固前台尾的4.47cm减小到0.428cm，但是前墙中部的变形值增大了，从原来的0.596cm增大到1.1cm，有向台前凸的趋势。这种变化对侧墙是有利的，但对前墙中部则不利。这一点应在今后的加固过程中予以注意。
整个桥台加固历时3个月，从加固效果到现在，桥台稳定，没有新裂缝产生，原有的裂缝有不同程度的闭合，达到了加固的目的。
4结论
综上所述，采用预应力钢绞线对拉两侧墙的加固方法，不仅可以改善桥台的受力情况，还可以有效减小侧墙翼尾顶部的最大变形值。虽然，它也有一些不足之处，但是比起其它加固方法，它还具有施工方便简单，经济安全优点。它既适用桥台运营前的预防性加固，也适用于桥台出现病害后的加固，因此拉筋法是一种值得推广的加固桥台的有效方法。
