花瓶型橋墩裂縫分析及維修加固技術(shù)

劉國(guó)金

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧沈陽(yáng) 110166)

花瓶型橋墩裂縫分析及維修加固技術(shù)

劉國(guó)金

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧沈陽(yáng) 110166)

針對(duì)花瓶型橋墩出現(xiàn)的裂縫，通過(guò)橋梁規(guī)范計(jì)算公式和大型通用有限元軟件的三維實(shí)體仿真建模，對(duì)混凝土花瓶型橋墩受力及裂縫成因進(jìn)行了分析研究，并提出了合理的維修加固技術(shù)，以保證花瓶型橋墩結(jié)構(gòu)受力及耐久性安全。

花瓶型，橋墩，裂縫，加固

1 工程概況

某互通式立交內(nèi)的匝道橋(C匝道、D匝道、E匝道)均采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，B匝道橋采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。其中B，C，D，E匝道橋下部結(jié)構(gòu)采用花瓶型橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。花瓶型橋墩墩身底緣寬2.2 m，頂緣寬3.74 m，墩厚1.2 m。互通立交花瓶型橋墩橋梁統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。

表1 互通立交花瓶型橋墩橋梁統(tǒng)計(jì)表

典型花瓶型橋墩立面圖如圖1所示，橋墩典型橫斷面圖如圖2，圖3所示。

圖1 花瓶型橋墩立面示意圖（單位：cm，比例1∶100）

圖2 A—A截面示意圖（單位：cm）

2 存在問(wèn)題及分析

交工檢測(cè)驗(yàn)收發(fā)現(xiàn):花瓶型橋墩沿墩頂中心位置出現(xiàn)寬0.4 mm、深1.5 cm、長(zhǎng)40 cm的U形裂縫。初步分析其原因，裂縫所處位置為花瓶型墩頂兩支座間的混凝土受拉區(qū)域，根據(jù)拉—壓模型(Strut-tie Model)理論，其主要原因是橋墩兩支座間距較大，在兩邊兩豎向支座力作用下，墩身斜向混凝土的支撐反力在兩支座間橋墩混凝土中產(chǎn)生較大的水平拉應(yīng)力導(dǎo)致，如設(shè)計(jì)中沒(méi)有在該受拉區(qū)域配置足夠的抗拉鋼筋，就有可能使該區(qū)域配置的受拉鋼筋拉應(yīng)力過(guò)大而使混凝土裂縫寬度不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖3 B—B截面示意圖（單位：cm）

3 理論計(jì)算分析

為了分析該花瓶型橋墩混凝土開(kāi)裂區(qū)域裂縫形成機(jī)理，通過(guò)以下三方面內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)算分析:1)強(qiáng)度驗(yàn)算，采用橋梁規(guī)范中的“撐桿—系桿”體系對(duì)花瓶墩的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算;2)墩頂應(yīng)力分析:采用ANSYS有限元實(shí)體模型分析墩頂范圍內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài);3)裂縫驗(yàn)算:采用橋梁規(guī)范中的裂縫計(jì)算公式對(duì)墩頂裂縫寬度進(jìn)行計(jì)算。

3.1 強(qiáng)度驗(yàn)算

依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》8.5.3條“撐桿—系桿”體系進(jìn)行橋墩驗(yàn)算，計(jì)算中所取各中墩支反力數(shù)值如表2所示。

表2 橋梁支反力匯總

撐桿、系桿模型如圖4所示，驗(yàn)算表見(jiàn)表3。

表3 撐桿、系桿驗(yàn)算表

3.2 墩頂應(yīng)力分析

采用ANSYS有限元建立實(shí)體模型分析，其中混凝土利用單元Solid65進(jìn)行模擬，C40材料彈性模量取為3.25×104MPa，泊松比取為0.2，結(jié)構(gòu)幾何模型及有限元計(jì)算模型如圖5，圖6所示。

圖4 橋墩撐桿、系桿模型

圖5 結(jié)構(gòu)幾何模型

圖6 結(jié)構(gòu)有限元模型

分別選取結(jié)構(gòu)在恒載、活載max支反力的作用下進(jìn)行計(jì)算分析，其中在恒載作用下結(jié)構(gòu)受力如圖7，圖8所示。

圖7 橋墩橫向應(yīng)力（單位：kPa）

圖8 橋墩豎向應(yīng)力（單位：kPa）

各匝道花瓶型橋墩墩頂中心處橫橋向拉應(yīng)力如表4所示。

表4 各匝道橋墩墩頂橫向正應(yīng)力

3.3 裂縫計(jì)算

依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》6.4.3:

其中，C1為鋼筋表面形狀系數(shù)，對(duì)于HRB335帶肋鋼筋C1= 1．0。C2為長(zhǎng)期效應(yīng)系數(shù)，偏于安全取C2=1．5;C3為與構(gòu)件受力性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于鋼筋混凝土受拉構(gòu)件C3=1．2;ρ為縱向受拉鋼筋配筋率;σss為鋼筋應(yīng)力，對(duì)于受拉構(gòu)件，鋼筋應(yīng)力按撐桿、系桿進(jìn)行計(jì)算，具體鋼筋應(yīng)力及裂縫寬度計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)表5。

通過(guò)上述計(jì)算分析，得出如下結(jié)論:按照規(guī)范撐桿系桿體系進(jìn)行計(jì)算，以上橋墩均能滿足承載力要求。B匝道橋墩裂縫寬度較小，能夠滿足橋梁結(jié)構(gòu)耐久性需求;C匝道橋、D匝道橋、E匝道橋橋墩裂縫較大，結(jié)構(gòu)耐久性較差。

表5 花瓶型橋墩鋼筋應(yīng)力、裂縫寬度計(jì)算

4 維修加固方案

4.1 封閉裂縫

對(duì)于花瓶型橋墩裂縫寬度不小于0.10 mm，采用灌注環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)行處理;對(duì)于花瓶型橋墩裂縫寬度小于0.10 mm，應(yīng)進(jìn)行涂膠封閉處理。

4.2 加筋補(bǔ)強(qiáng)

鑿除原花瓶型橋墩墩頂110 cm高度范圍內(nèi)的箍筋保護(hù)層厚度，對(duì)應(yīng)箍筋位置焊接8根或10根直徑為16 mm HRB400鋼筋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

4.3 張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋補(bǔ)強(qiáng)

花瓶型橋墩墩頂110 cm高度范圍內(nèi)外包C40耐久性混凝土，張拉4根直徑為25mm的精軋螺紋鋼筋。花瓶型橋墩加固構(gòu)造見(jiàn)圖9。

圖9 花瓶型橋墩加固構(gòu)造圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)花瓶型橋墩出現(xiàn)的裂縫，分別采用橋梁規(guī)范計(jì)算公式和大型三維有限元通用程序ANSYS實(shí)體仿真建模，對(duì)花瓶型橋墩出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行詳細(xì)的受力分析，并提出具體的維修加固技術(shù)，從而保證了花瓶型橋墩結(jié)構(gòu)的安全性，為以后同類型橋墩的維修加固設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

［1］ JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ JTG/T J22—2008，公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ 諶潤(rùn)水，胡釗芳，帥長(zhǎng)斌.公路舊橋加固技術(shù)與實(shí)例［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］ 楊方淵，牛 犇.橋梁維修與加固［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［5］ 郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2005.

The analysis on vase type pier crack analysis and maintenance reinforcement technology

Liu Guojin

(Liaoning Traffic Planning and Design Institute，Shenyang 110166，China)

In view of vase type piers cracks，through the three-dimensional entity emulation modeling of bridge specification calculation formula and large general finite element software，analyzed and researched the concrete type vase pier stress and crack causes，and put forward reasonable maintenance technology，to ensure the vase type pier structure and durability safety.

vase type，pier，crack，reinforcement

U445

A

1009-6825(2015)29-0170-02

2015-08-07

劉國(guó)金(1978-)，男，碩士，高級(jí)工程師