大體積板式墩裂縫原因分析及處理措施研究

羅仲偉

（廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東廣州 510507）

大體積板式墩裂縫原因分析及處理措施研究

羅仲偉

（廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東廣州 510507）

運用ANSYS對某高速公路分離式立交橋板式墩墩身裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，得出裂縫出現(xiàn)和發(fā)展的原因為墩身混凝土的收縮及降溫，采用貼鋼板的加固措施后，運用ANSYS分析了加固后的效果，包括墩身混凝土的應(yīng)力變化及鋼板的受力情況，通過分析表明采用貼鋼板的處理措施是可行的，并為類似裂縫的處治提供了分析思路。

板式墩，裂縫，ANSYS，貼鋼板，裂縫處理和加固

1 工程簡介

某高速公路分離式立交橋結(jié)構(gòu)為4×16 m空心板橋，橋梁總長為69 m。上部采用16 m跨度簡支預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板，下部橋臺采用肋式橋臺，橋墩采用板式墩。

該橋橋墩為80 cm厚薄壁式橋墩，橋墩的一般構(gòu)造如圖1所示。

圖1 薄壁式橋墩一般構(gòu)造圖

墩身普遍出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度在0.1mm～0.5 mm之間，均為自下往上發(fā)展，典型的裂縫如圖2所示。

2 墩身裂縫的原因分析

由于裂縫均為自下往上發(fā)展，可以排除是由于上部結(jié)構(gòu)自重及汽車荷載而導(dǎo)致。初步判斷是由于大體積混凝土橋墩自身的混凝土收縮及溫度（降溫）而產(chǎn)生。為了驗證此判斷是否正確，采用ANSYS對墩身進(jìn)行仿真分析，整體計算模型如圖3所示。

圖3 整體計算模型

圖2 典型墩身裂縫示意圖

假設(shè)墩身的混凝土收縮及降溫按－20℃考慮，分析可得墩身的橫向應(yīng)力及第一主應(yīng)力（主拉應(yīng)力）如圖4，圖5所示。

由圖4，圖5可見，在墩身降溫20℃的情況下，橋墩墩底（與承臺相接處）在不同位置出現(xiàn)了較大的橫向拉應(yīng)力及第一主拉應(yīng)力，最大的橫向拉應(yīng)力達(dá)到了6.72 MPa，最大的第一主拉應(yīng)力則達(dá)到了8.4 MPa。橋墩混凝土標(biāo)號為C30，其抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為2.01 MPa，模型雖然沒有考慮防裂鋼筋的有效作用，但是對于這樣水平的拉應(yīng)力來說，裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展是可能的。

圖4 降溫作用下橫向應(yīng)力

圖5 降溫作用下第一主應(yīng)力

同時也可以看到最大橫向拉應(yīng)力及最大第一主拉應(yīng)力出現(xiàn)在4.5 m（第一根樁往里約2.2 m）及9 m（第二根樁往里約1.7 m）位置附近，這與裂縫實際發(fā)生的情況相符。根據(jù)如圖6所示主應(yīng)力方向可以得知，第一主應(yīng)力的方向在橋墩中下部基本呈水平方向，這意味著裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的方向為豎直向上，并且由于拉應(yīng)力在墩底處最大，故裂縫是由下往上發(fā)展。裂縫產(chǎn)生的位置和方向均與實際監(jiān)測結(jié)果符合。

由圖7可以清楚看出最大拉應(yīng)力在橫橋向所處的位置。

另外為了判斷橋墩豎向裂縫是否由樁基不均勻沉降產(chǎn)生，對兩個中樁按5 mm的沉降量進(jìn)行分析計算。結(jié)構(gòu)的橫向應(yīng)力及第一主應(yīng)力分別如圖8，圖9所示。

由圖8，圖9可以得知，不均勻沉降產(chǎn)生的橫向應(yīng)力和第一主應(yīng)力較大位置位于承臺與樁的相接處，這與實際裂縫產(chǎn)生的情況不符，故不均勻沉降不是橋墩豎向裂縫產(chǎn)生的主要原因。

結(jié)論:通過上述分析可知，橋墩發(fā)生豎向裂縫的主要原因為墩身混凝土的收縮及降溫。對于大體積混凝土，此類裂縫是較易產(chǎn)生的;且查閱原結(jié)構(gòu)墩身鋼筋施工圖可知，水平向防裂分布鋼筋采用φ8@20 cm，防裂鋼筋直徑偏小，分布間距較大，防裂鋼筋配置不足導(dǎo)致裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。

圖6 主應(yīng)力方向圖

圖7 墩底處橫向應(yīng)力剖面圖

圖8 沉降作用下橫向應(yīng)力

圖9 沉降作用下第一主應(yīng)力

在裂縫分類上此類裂縫是屬于非結(jié)構(gòu)性裂縫，對橋梁的承載能力影響較小，但是對結(jié)構(gòu)的耐久性有一定影響，尤其在裂縫寬度較大的情況下，容易導(dǎo)致鋼筋銹蝕、碳化、裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，故需要對其進(jìn)行加固處理。

3 貼鋼板加固效果分析

采用在墩底2 m左右范圍內(nèi)貼0.25 m寬、6 mm厚的鋼板對橋墩進(jìn)行加固，鋼板布置圖如圖10所示。

圖10 鋼板布置圖

采用與裂縫原因分析模型相同的邊界條件和荷載作用，經(jīng)分析得到貼鋼板加固后效果如下所述。

由圖11，圖12與圖4，圖5對比可以看出，橫向最大拉應(yīng)力加固前后由6.72 MPa降低至3.05 MPa左右，降低了約55%;最大主拉應(yīng)力由8.4 MPa降低至3.19 MPa左右，降低了約62%。從應(yīng)力云圖也可以很清楚地看出加固后，由于鋼板承擔(dān)了較大部分的橫向拉應(yīng)力，混凝土的最大橫向拉應(yīng)力及最大主拉應(yīng)力水平降低且在橫橋向分布得更為均勻。

圖11 溫度作用下加固后混凝土橫向應(yīng)力

圖12 溫度作用下加固后混凝土第一主應(yīng)力

如圖13所示為鋼板在加固后的受力狀態(tài)。由圖13可以看出，下側(cè)鋼板最大橫向應(yīng)力為20.3 MPa，并且承擔(dān)了加固前對應(yīng)位置混凝土的大部分拉應(yīng)力，這可以解釋加固后混凝土的拉應(yīng)力下降的原因。加固后整體結(jié)構(gòu)（混凝土及鋼板）的橫向應(yīng)力如圖14所示。由圖14可以看出鋼板承擔(dān)了大部分的拉應(yīng)力，鋼板下面的混凝土的拉應(yīng)力水平降低。這可以論證貼鋼板的加固措施是有效可行的。

圖13 溫度作用下鋼板的橫向應(yīng)力

圖14 溫度作用下整體結(jié)構(gòu)的橫向應(yīng)力

4 結(jié)語

1）運用ANSYS對某高速公路分離式立交橋板式墩墩身裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，得出裂縫產(chǎn)生的主要原因為墩身混凝土的收縮及降溫。

2）運用ANSYS對貼鋼板后的墩身進(jìn)行對比分析，包括墩身混凝土的應(yīng)力變化及鋼板的應(yīng)力情況。結(jié)果表明貼鋼板后墩身混凝土的拉應(yīng)力得到了一定程度的下降。

3）分析結(jié)果表明運用貼鋼板加固措施進(jìn)行墩身裂縫處理是可行的，并為類似項目的處治提供了參考和分析思路。

［1］JTJD62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］JTJD60-2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.

［3］JTG/T J22-2008，公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］JTG/T J23-2008，公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范［S］.

Causes analysis and reinforcementmeasures research ofmassive plate-style pier cracks

LUO Zhong-wei

（Guangdong Highway Survey and Planning and Design Institute Co.，Ltd，Guangzhou 510507，China）

The article analyzes the cracking causes of the plate-style pier of separation-style overpass on the highway with ANSYSmethod，and concludes that the pier concrete shrinkage and temperature reduction leads to the crack occurrence and development.And then，it uses steelbonding plate for reinforcement，and analyzes the reinforcementeffectwith ANSYSmethod including the pier concrete stress alteration and steel plate stress conditions.In the end，it finds out the processingmeasure of steel-bonding plate method is feasible，which has provided analysis concept for similar cracks treatment.

plate-style pier，cracks，ANSYS，steel-bonding plate，cracks treatment and reinforcement

TU755.7

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.19.036

1009-6825（2012）19-0210-03

2012-05-07

羅仲偉（1984-），男，碩士，助理工程師