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摘要：结合那楼台小桥加固设计的工程实例，对重力式橋台前墙和侧墙开裂的病害原因进行了分析。有针对性地采用预应力锚杆对拉方案对其进行加固设计，粗略给出了各层锚杆张拉控制力，介绍了预应力锚杆加固的施工工艺流程，最后提出重力式桥台的设计和施工的几点建议。
关键词：重力式桥台 病害原因 预应力锚杆对拉张拉控制力 工艺流程
0 引言
重力式桥台是山区公路建设中广泛应用的一种受力复杂的结构形式，其利用自身重量来平衡外力保持稳定。然而，桥梁运营过程中，在填土荷载和车辆荷载作用下，重力式桥台经常发生局部开裂破坏这一有规律性的病害。一些宽度和高度较大的重力式桥台，当截面尺寸偏小时，施工过程中特别是在台后填土填筑过程中前墙和侧墙容易发生开裂，为桥台的正常安全使用留下了隐患，严重影响桥梁的耐久性。因此，结合工程实例对重力式桥台的病害原因进行分析，并提出一些相应的设计和施工建议，是非常有必要的。
1 工程实例
那楼小桥为盘百二级公路上一座跨径跨越河沟的一孔净20米预应力混凝土T梁小桥，于1995年建成通车。桥面宽12米，原设计荷载：汽-20，挂-100。下构0#台与1#台为C30素混凝土重力式桥台，桥台结构型式及0#台尺寸见图2。经检测发现，0#桥台侧墙有多条竖向、斜向裂缝，部分裂缝缝长缝宽超过规范要求，经过方案比选最终决定对病害严重的0#桥台在其侧墙两侧对向张拉精轧螺纹钢，以增加桥台的抗裂性能和整体稳定性。
2 病害原因
重力式桥台的前墙和侧墙的开裂原因一般可以从设计和施工两方面进行分析总结。
2.1 设计原因
根据《公路圬工桥涵设计规范》（JTD D61-2005）第6.2.4条规定，混凝土重力式桥台的侧墙任一水平截面的宽度不小于该截面至墙顶高度的0.35倍。
图1
如图1所示，某截面到墙顶的距离为H，墙顶宽为d，侧墙坡度为m。根据第6.2.4条规定
(1)
由式(1)得
(2)
那楼小桥侧墙高度为14.5米，顶宽为75cm，其侧墙最大坡度为 ，而原设计按 设坡，不符合规范要求。
2.2 施工原因
重力式桥台施工过程中，台后填土的倾土方式、碾压过程、密实度、填土粒径等方面都与结构受力密切相关，尤其在两侧锥坡填土不及时的情况下，导致侧墙内外土压力相差悬殊形成了很大的不平衡水平力，导致侧墙和前墙开裂。对于高度较大的重力式桥台，台后填土会产生很大的水平方向土压力，在桥梁运营过程中，由于路面渗水等原因造成桥台后土压力增大，进而使侧墙有向外的侧移趋势，而其抗弯抗剪能力有限，在土压力及车辆荷载的作用下侧墙的裂缝得以发展。
3设计方案
根据对桥台病害原因的分析可知，侧墙裂缝的产生主要是由于土压力及车辆荷载的作用下台后土压力增大，而桥台截面尺寸又偏小，抵抗能力不足。通过各种方案比较，最终决定采用预应力锚杆对拉加固方案，预应力锚杆布置及框架设计见图2。预应力锚杆对拉是通过桥台本身的自平衡来达到加固桥台的目的，通过两侧墙的预应力锚杆对拉来减小侧墙所承受的倾覆力矩，以限制桥台的进一步变形，从而阻止侧墙裂缝的产生和发展。根据两侧墙裂纹的分布情况，合理布置一定数量的孔位，垂直侧墙用钻孔机水平穿透两侧墙，然后在孔内安放锚杆，接着在侧墙上浇筑钢筋混凝土框架以提供锚杆反力和增强桥台的整体性，待框架达到设计强度要求后，对预应力锚杆进行张拉，最后完成灌浆、外锚头防护处理等工序。
图2 预应力锚杆布置及框架设计（单位：cm）
侧墙所受的土侧压力由台后土侧压力和汽车荷载作用产生的土侧压力两部分组成，在桥梁运营阶段台后填土已基本固结稳定，因此台后土侧压力可以近似地按静止土压力进行计算，而汽车荷载作用产生的土侧压力是按汽车轮重换算为等待均布土层来计算的。
台后填土产生的土侧压力：
汽车荷载作用产生的土侧压力：
式中，根据经验，静止土压力系数 取值为0.5；为土的重度取值为21 ；z为计算位置距侧墙顶面的距离； 为等待均布土层的厚度。
假设预应力锚杆承担所有的台后填土的土压力。根据计算得到的台后土侧压力，每层锚杆的张拉控制力按照“半分法”计算即每根锚杆分担其与上下左右相邻锚杆间距所构成矩形区域内的土压力的1/2。如图2所示，锚杆等间距布置，故每层各锚杆的张拉控制力相等，各层锚杆的张拉控制力计算结果见表1。
表1 各层锚杆的张拉控制力
层编号 锚杆张拉控制力σcon(kN)
第1层 115
第2层 217
第3层 261
第4层 282
第5层 296
4 施工工艺
预应力锚杆对拉加固施工工艺流程如图3所示。必须对整个加固施工过程进行监控，包括：施工期间禁止车辆通行，所有的材料、配件的检查和检验，预应力筋张拉程序的监控，孔道灌浆监控等。尤其对预应力筋张拉的监控最为重要，
浇筑的框架在混凝土强度达到100％后方可进行预应力筋张拉。为确保桥台整体锚固，必须先将所有预应力筋穿孔后，采用一端张拉，张拉端左右交替设置，采取从下至上，分批、分级张拉，张拉控制一律采用应力控制为主、伸长量校核的双控法。为了保护桥台在实际施工过程中不受损坏，应做好量测工作，在张拉过程中，一旦出现新的裂缝，则应该减小张拉吨位甚至考虑降低张拉设计值。
图3 施工工艺流程
5 几点建议
1.重力式桥台对地基的不均匀沉降极为敏感，因此对于桥位处的地质情况山区地质比较复杂的路段应进行详细的勘察。地质勘探应在整体平面范围均匀分布，以充分揭露桥台地基整体地质分布情况，为设计和施工提供充分的基础地质资料。
2.关于重力式桥台尺寸的拟定，公路桥规给出一些相关的规定，然而，对于一些高度和宽度远远超过过去标准图尺寸的大型U型桥台，如果设计尺寸断面过小，在施工和运营过程中引起桥台的开裂破损。因此，对于高宽重力式桥台，其前墙和侧墙应偏安全的按独立挡土墙做受力分析并拟定合理尺寸，同时在设计过程中可以通过采用结构措施来改善U型桥台的受力状况，如前墙和侧墙交界部位采用倒角形式，宽桥台前墙背后设扶臂肋墙，适当增大桥台基础襟边尺寸等。
3. 一般地，重力式桥台计算中并没有考虑锥坡土压力的影响，然而这对高度较大的桥台是不合理的。因此，在重力式桥台的台后填土过程中，应尽量不用震动压路机碾压，为减小不平衡土侧压力，应及时回填锥坡，以防止施工过程中桥台开裂。
4. 对于重力式桥台，如果台后排水不畅，台后附加水压增加，将进一步导致前墙和侧墙裂缝的产生和发展。因此，在设计过程中应充分考虑台后排水，设置相应的排水设施，如台后设置排水盲沟，前墙和侧墙设置足够数量的排水管等。
6 结语
预应力锚杆对拉加固的基本原理是台后土侧压力通过预应力锚杆传递给框架，又通过侧墙和框架回传给台后填土，通过该横向自平衡体系的作用，重力式桥台侧墙向外的侧移趋势将得以改善，从而阻止了侧墙裂纹的产生和发展。预应力锚杆对拉技术加固桥台，在没有改变原有桥台结构的基础上，改善了结构受力，增强了结构的整体性，具有施工简单、占用空间小、经济合理等特点，在旧桥加固中值得大力推广应用。
参考文献
1. 周水兴，胡娟，张敏； 重力式桥台开裂的机理分析[J]；重庆交通学院学报；2005年04期
2. 芦盛泉，郝志刚，许雷，田建玲；U型桥台病害分析及对策[J]；山东交通科技；2004年02期
3. 中华人民共和国部颁标准，
4. 董倩；高桥台开裂机理及对策研究[D]；重庆交通学院；2004年
5. 李国蔚，徐积江；超二级路高填方U型桥台裂缝分析和处理[J]；华东公路；2002年01期
作者简介：
向桂兵 （1982-），男，广西交通科学研究院
邓小康（1985-），男，广西交通科学研究院
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：重力式桥台 病害原因 预应力锚杆对拉张拉控制力 工艺流程
0 引言
重力式桥台是山区公路建设中广泛应用的一种受力复杂的结构形式，其利用自身重量来平衡外力保持稳定。然而，桥梁运营过程中，在填土荷载和车辆荷载作用下，重力式桥台经常发生局部开裂破坏这一有规律性的病害。一些宽度和高度较大的重力式桥台，当截面尺寸偏小时，施工过程中特别是在台后填土填筑过程中前墙和侧墙容易发生开裂，为桥台的正常安全使用留下了隐患，严重影响桥梁的耐久性。因此，结合工程实例对重力式桥台的病害原因进行分析，并提出一些相应的设计和施工建议，是非常有必要的。
1 工程实例
那楼小桥为盘百二级公路上一座跨径跨越河沟的一孔净20米预应力混凝土T梁小桥，于1995年建成通车。桥面宽12米，原设计荷载：汽-20，挂-100。下构0#台与1#台为C30素混凝土重力式桥台，桥台结构型式及0#台尺寸见图2。经检测发现，0#桥台侧墙有多条竖向、斜向裂缝，部分裂缝缝长缝宽超过规范要求，经过方案比选最终决定对病害严重的0#桥台在其侧墙两侧对向张拉精轧螺纹钢，以增加桥台的抗裂性能和整体稳定性。
2 病害原因
重力式桥台的前墙和侧墙的开裂原因一般可以从设计和施工两方面进行分析总结。
2.1 设计原因
根据《公路圬工桥涵设计规范》（JTD D61-2005）第6.2.4条规定，混凝土重力式桥台的侧墙任一水平截面的宽度不小于该截面至墙顶高度的0.35倍。
图1
如图1所示，某截面到墙顶的距离为H，墙顶宽为d，侧墙坡度为m。根据第6.2.4条规定
(1)
由式(1)得
(2)
那楼小桥侧墙高度为14.5米，顶宽为75cm，其侧墙最大坡度为 ，而原设计按 设坡，不符合规范要求。
2.2 施工原因
重力式桥台施工过程中，台后填土的倾土方式、碾压过程、密实度、填土粒径等方面都与结构受力密切相关，尤其在两侧锥坡填土不及时的情况下，导致侧墙内外土压力相差悬殊形成了很大的不平衡水平力，导致侧墙和前墙开裂。对于高度较大的重力式桥台，台后填土会产生很大的水平方向土压力，在桥梁运营过程中，由于路面渗水等原因造成桥台后土压力增大，进而使侧墙有向外的侧移趋势，而其抗弯抗剪能力有限，在土压力及车辆荷载的作用下侧墙的裂缝得以发展。
3设计方案
根据对桥台病害原因的分析可知，侧墙裂缝的产生主要是由于土压力及车辆荷载的作用下台后土压力增大，而桥台截面尺寸又偏小，抵抗能力不足。通过各种方案比较，最终决定采用预应力锚杆对拉加固方案，预应力锚杆布置及框架设计见图2。预应力锚杆对拉是通过桥台本身的自平衡来达到加固桥台的目的，通过两侧墙的预应力锚杆对拉来减小侧墙所承受的倾覆力矩，以限制桥台的进一步变形，从而阻止侧墙裂缝的产生和发展。根据两侧墙裂纹的分布情况，合理布置一定数量的孔位，垂直侧墙用钻孔机水平穿透两侧墙，然后在孔内安放锚杆，接着在侧墙上浇筑钢筋混凝土框架以提供锚杆反力和增强桥台的整体性，待框架达到设计强度要求后，对预应力锚杆进行张拉，最后完成灌浆、外锚头防护处理等工序。
图2 预应力锚杆布置及框架设计（单位：cm）
侧墙所受的土侧压力由台后土侧压力和汽车荷载作用产生的土侧压力两部分组成，在桥梁运营阶段台后填土已基本固结稳定，因此台后土侧压力可以近似地按静止土压力进行计算，而汽车荷载作用产生的土侧压力是按汽车轮重换算为等待均布土层来计算的。
台后填土产生的土侧压力：
汽车荷载作用产生的土侧压力：
式中，根据经验，静止土压力系数 取值为0.5；为土的重度取值为21 ；z为计算位置距侧墙顶面的距离； 为等待均布土层的厚度。
假设预应力锚杆承担所有的台后填土的土压力。根据计算得到的台后土侧压力，每层锚杆的张拉控制力按照“半分法”计算即每根锚杆分担其与上下左右相邻锚杆间距所构成矩形区域内的土压力的1/2。如图2所示，锚杆等间距布置，故每层各锚杆的张拉控制力相等，各层锚杆的张拉控制力计算结果见表1。
表1 各层锚杆的张拉控制力
层编号 锚杆张拉控制力σcon(kN)
第1层 115
第2层 217
第3层 261
第4层 282
第5层 296
4 施工工艺
预应力锚杆对拉加固施工工艺流程如图3所示。必须对整个加固施工过程进行监控，包括：施工期间禁止车辆通行，所有的材料、配件的检查和检验，预应力筋张拉程序的监控，孔道灌浆监控等。尤其对预应力筋张拉的监控最为重要，
浇筑的框架在混凝土强度达到100％后方可进行预应力筋张拉。为确保桥台整体锚固，必须先将所有预应力筋穿孔后，采用一端张拉，张拉端左右交替设置，采取从下至上，分批、分级张拉，张拉控制一律采用应力控制为主、伸长量校核的双控法。为了保护桥台在实际施工过程中不受损坏，应做好量测工作，在张拉过程中，一旦出现新的裂缝，则应该减小张拉吨位甚至考虑降低张拉设计值。
图3 施工工艺流程
5 几点建议
1.重力式桥台对地基的不均匀沉降极为敏感，因此对于桥位处的地质情况山区地质比较复杂的路段应进行详细的勘察。地质勘探应在整体平面范围均匀分布，以充分揭露桥台地基整体地质分布情况，为设计和施工提供充分的基础地质资料。
2.关于重力式桥台尺寸的拟定，公路桥规给出一些相关的规定，然而，对于一些高度和宽度远远超过过去标准图尺寸的大型U型桥台，如果设计尺寸断面过小，在施工和运营过程中引起桥台的开裂破损。因此，对于高宽重力式桥台，其前墙和侧墙应偏安全的按独立挡土墙做受力分析并拟定合理尺寸，同时在设计过程中可以通过采用结构措施来改善U型桥台的受力状况，如前墙和侧墙交界部位采用倒角形式，宽桥台前墙背后设扶臂肋墙，适当增大桥台基础襟边尺寸等。
3. 一般地，重力式桥台计算中并没有考虑锥坡土压力的影响，然而这对高度较大的桥台是不合理的。因此，在重力式桥台的台后填土过程中，应尽量不用震动压路机碾压，为减小不平衡土侧压力，应及时回填锥坡，以防止施工过程中桥台开裂。
4. 对于重力式桥台，如果台后排水不畅，台后附加水压增加，将进一步导致前墙和侧墙裂缝的产生和发展。因此，在设计过程中应充分考虑台后排水，设置相应的排水设施，如台后设置排水盲沟，前墙和侧墙设置足够数量的排水管等。
6 结语
预应力锚杆对拉加固的基本原理是台后土侧压力通过预应力锚杆传递给框架，又通过侧墙和框架回传给台后填土，通过该横向自平衡体系的作用，重力式桥台侧墙向外的侧移趋势将得以改善，从而阻止了侧墙裂纹的产生和发展。预应力锚杆对拉技术加固桥台，在没有改变原有桥台结构的基础上，改善了结构受力，增强了结构的整体性，具有施工简单、占用空间小、经济合理等特点，在旧桥加固中值得大力推广应用。
参考文献
1. 周水兴，胡娟，张敏； 重力式桥台开裂的机理分析[J]；重庆交通学院学报；2005年04期
2. 芦盛泉，郝志刚，许雷，田建玲；U型桥台病害分析及对策[J]；山东交通科技；2004年02期
3. 中华人民共和国部颁标准，
4. 董倩；高桥台开裂机理及对策研究[D]；重庆交通学院；2004年
5. 李国蔚，徐积江；超二级路高填方U型桥台裂缝分析和处理[J]；华东公路；2002年01期
作者简介：
向桂兵 （1982-），男，广西交通科学研究院
邓小康（1985-），男，广西交通科学研究院
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。