花瓶式橋墩豎向開裂成因分析及預(yù)應(yīng)力加固方法探討

徐　晨　吳　艷

(1.中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司　成都　610081;

2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

花瓶式橋墩豎向開裂成因分析及預(yù)應(yīng)力加固方法探討

徐晨1吳艷2

(1.中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司成都610081;

2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要以某高架橋花瓶式橋墩墩頂產(chǎn)生豎向裂縫為背景，運用有限元的方法對橋墩進行實體建模，通過對墩頂范圍應(yīng)力結(jié)果的分析，判斷產(chǎn)生豎向裂縫原因為橫向受力主筋數(shù)量不足。綜合考慮目前橋墩裂縫幾種常用加固方法的不同適用性，根據(jù)產(chǎn)生裂縫的原因，提出了增大橋墩截面施加預(yù)應(yīng)力的加固方法，能有效改善花瓶式橋墩的應(yīng)力狀態(tài)，提高其抗裂性和承載能力。

關(guān)鍵詞花瓶式橋墩豎向裂縫加固預(yù)應(yīng)力

花瓶式橋墩因造型優(yōu)美、占地空間小等優(yōu)點，近年來在城市橋梁中被廣泛運用。然而，花瓶式橋墩受力比較復(fù)雜，采用常規(guī)設(shè)計理論和方法易導(dǎo)致一些問題。本文以某城市高架橋花瓶式橋墩出現(xiàn)裂縫為工程背景，通過有限元實體建模進行應(yīng)力分析，判斷花瓶式橋墩開裂的原因，并提出采用預(yù)應(yīng)力加固處理的設(shè)計方案。

1工程概況

某高架橋工程的起點樁號為K3+646，終點樁號K3+761，全橋長115 m。采用分離式左右雙幅橋，每幅橋?qū)?3 m。高架橋上部結(jié)構(gòu)采用魚腹式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)均采用花瓶薄壁式橋墩和群樁基礎(chǔ)，橋跨布置為30 m+45 m+30 m變截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，其下部橋墩編號為Z1，Z2，Y1，Y2。設(shè)計荷載：城-A級。

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用C50混凝土，鋼筋混凝土薄壁墩采用C40混凝土，承臺采用C30混凝

土，鉆孔樁采用C30水下混凝土。全橋上部結(jié)構(gòu)施工采用滿堂支架現(xiàn)澆一次落架成型。橋墩在設(shè)計中按照平面桿系結(jié)構(gòu)進行配筋，橋墩頂部布置10B32橫向受力主筋。

該橋梁通車運營2個月后，在一次檢查中發(fā)現(xiàn)4個橋墩側(cè)面均出現(xiàn)不同程度的豎向裂縫，且在橋墩頂部貫通，裂縫寬度多在0.2～0.3 mm之間，見圖1。

圖1花瓶式橋墩側(cè)面裂縫分布圖(單位：cm)

3結(jié)語

(1) 本文從風(fēng)險的角度來進行施工組織設(shè)計，提出基于風(fēng)險的橋梁施工設(shè)計流程，希望達到科學(xué)設(shè)計的目的。這一流程主要是施工組織設(shè)計與風(fēng)險設(shè)計的有機結(jié)合，是對橋梁設(shè)計和施工方法的一個補充。

(2) 按照提出的設(shè)計流程，對每一個步驟進行理論分析，特別是對風(fēng)險概率估計和風(fēng)險損失估計，通過數(shù)學(xué)以及統(tǒng)計的方法達到量化的目的，為以后的風(fēng)險評價提供依據(jù)。

(3) 面對各種風(fēng)險，采用了包括工程技術(shù)在內(nèi)的多種對策，達到科學(xué)應(yīng)對風(fēng)險的目的。

參考文獻

[1]謝海濤.橋梁施工風(fēng)險評估適用方法研究及其在鉆孔灌注樁施工中的應(yīng)用[D].長沙:中南大學(xué)，2009.

[2]GB 50153-92公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準[S].北京：中國標準出版社，2008.

[3]吳煜,李從東.二拉平原則(ALARP)應(yīng)用分析[J].山東財政學(xué)院學(xué)報，2005(3):47-49.

2花瓶式橋墩裂縫原因分析

對4座橋墩裂縫形態(tài)進行仔細觀察，不難發(fā)現(xiàn)，每條裂縫發(fā)展方向基本一致，且每條裂縫之間的距離基本相等，墩頂裂縫與橋墩兩側(cè)面豎向裂縫貫通。經(jīng)分析，這種裂縫是典型的受力裂縫，橋墩頂部橫橋方向受到很大的拉應(yīng)力作用[1]。

采用有限元軟件MIDAS FEA對橋墩進行實體建模，承臺處進行固結(jié)處理。建模僅考慮混凝土作用，根據(jù)計算所得混凝土拉應(yīng)力產(chǎn)生的拉力全部由鋼筋承受來計算鋼筋用量[2-3]。

按照承載能力極限狀態(tài)進行計算，其支點反力組合設(shè)計值=1.2×恒載+1.4×活載=1.2×7 653+1.4× 1 322=11 034.4 kN。

計算結(jié)果見圖2。

圖2花瓶式橋墩應(yīng)力計算結(jié)果

最大應(yīng)力在梗腋倒角處，應(yīng)力值為14.02 MPa，取橋墩中心線截面作為驗算截面，各截面正應(yīng)力值見表1，各截面正應(yīng)力分布圖見圖3。

表1　橋墩中心線各截面正應(yīng)力值

其中應(yīng)力正值為拉，負值為壓。

圖3橋墩中心線處的各截面正應(yīng)力分布圖

墩頂80 cm范圍內(nèi)拉應(yīng)力面積S=3.269 MPa·m。

N=應(yīng)力圖中拉應(yīng)力面積S×橋墩的厚度L=3.269 MPa×1.3 m=4 249.7 kN。

考慮該拉力全部由鋼筋承受，所需鋼筋面積為A=4 249.7 kN /280 000 kPa =0.015 17 m2。

按原設(shè)計配B 32鋼筋，至少需要(0.015 17-0.002 813)m2/0.000 803 84 m2=19根。

顯然，橋墩頂部橫向受力鋼筋不足是橋墩產(chǎn)生豎向開裂的原因。

3加固方案的選擇

3.1　常規(guī)加固方法

(1) 粘貼鋼板加固法。用粘貼劑和錨栓將鋼板粘貼錨固于混凝土結(jié)構(gòu)受拉面，使鋼板與加固混凝土結(jié)構(gòu)形成整體，以達到提高結(jié)構(gòu)承載能力的目的。

(2) 粘貼碳纖維布加固法。用樹脂類材料把碳纖維布材或板材粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面，形成復(fù)合材料體，通過碳纖維布與結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作，達到對結(jié)構(gòu)補強加固及改善受力性能的目的。

(3) 預(yù)應(yīng)力加固法。是采用在橋墩受拉區(qū)的兩側(cè)施加預(yù)應(yīng)力束，達到抵消混凝土受拉區(qū)的拉應(yīng)力和卸載的作用，從而較大幅度提高梁的承載能力。

前2種加固方法施工簡便，對橋墩外形改變小，由于僅在結(jié)構(gòu)表面采取加固措施，是一種被動加固方法，只能承受活荷載作用，無法對恒載作用產(chǎn)生的原裂縫進行加固。第3種加固方法在增大截面的同時增設(shè)預(yù)應(yīng)力束筋，通過提高結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力儲備，從而能夠抵消一部分由于恒載效應(yīng)而產(chǎn)生的裂縫，提高橋墩的剛度和承載能力，是一種比較積極的加固方法[4]。

3.2　加固方法的選擇

該橋墩頂部橫向受力主筋數(shù)量不足是產(chǎn)生豎向裂縫的原因，經(jīng)比選采用預(yù)應(yīng)力鋼束的加固法。先在花瓶薄壁墩兩側(cè)原混凝土表面鑿毛和種植鋼筋使新舊混凝土緊密連接為整體，將花瓶薄壁墩加厚和加寬形成新蓋梁(見圖4)，在新增混凝土內(nèi)部預(yù)留預(yù)應(yīng)力管道，然后在薄壁墩橫向兩端張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。

圖4橋墩新蓋梁結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

每個蓋梁設(shè)6×(8-15.24)預(yù)應(yīng)力鋼束，沿橋墩橫向布置(見圖5)，鋼絞線標準抗拉強度fpk=1 860 MPa,所有鋼束均采用單端張拉,鋼絞線張拉錨下控制應(yīng)力為σcon=0.75fpk=1 395 MPa。張拉采取控制應(yīng)力和鋼束伸長量雙控，各鋼束設(shè)計引伸量為3.68 cm。

圖5新增預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖(單位：cm)

由于橋墩加固施工期間不能中斷交通，因此預(yù)應(yīng)力張拉時，在張拉端前方施工支架上必須放置足夠強度的擋板和安全網(wǎng)，以防止夾片及鋼絞線飛出，傷及行人及車輛[5]。

3.3　完成加固后效果

按照承載能力極限狀態(tài)，對加固后的橋墩重新進行實體建模計算，可見采用6×(8-15.24)預(yù)應(yīng)力鋼束對橋墩施加張拉力時，墩頂出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域不明顯，表明墩頂施加了預(yù)應(yīng)力后基本抵消了原橋墩存在的拉應(yīng)力，加固方案取得了良好的效果。

4結(jié)論

(1) 花瓶式橋墩因造型優(yōu)美、節(jié)約橋下空間而廣受大家的青睞，然而在設(shè)計過程中，采用平面桿系模型對其進行受力分析及配筋設(shè)計時，經(jīng)常導(dǎo)致橫向受力主筋數(shù)量不足的問題。

(2) 對于花瓶式橋墩這類受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，需要采用實體模型進行應(yīng)力分析，并根據(jù)混凝土中產(chǎn)生的拉應(yīng)力全部由鋼筋承受的原則來配筋，才能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。

(3) 橋墩加固的方法很多，在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)裂縫產(chǎn)生的原因進行比選。在不損壞花瓶式橋墩美觀的前提上，本文提出了采用增大截面施加預(yù)應(yīng)力的加固方法，能有效改善花瓶式橋墩的應(yīng)力狀態(tài)，提高其抗裂性和承載能力。

[1]JTG/T J22-2008公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2008.

[2]鄔曉光.公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范：應(yīng)用計算示例[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3]劉國明.花瓶式混凝土橋墩裂縫成因分析及加固方法研究[J].交通世界，2010(7)：137-138.

[4]鄧勇誠.花瓶薄壁墩預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2009.

[5]JTG/T J23-2008 公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2008.

Analysis on the Cause of Vase Pier′s Vertical Cracks and

Discussion on Strengthening Method of Prestress

XuChen1,WuYan2

(1.Chinese Southwest Municipal Engineering Design & Research Institute Co.,Ltd., Chengdu 610081, China;

2.Guizhou Transportation Planning Survey & Design Academe Co.,Ltd., Guiyang 550081, China)

Abstract：Based on a case of vertical cracks on a viaduct's vase piers, we used the finite element method for solid modeling of the pier.,Through analyzing the result of stress on the top range of pier, we found out the cause of vertical cracks was lack of transverse reinforcement quantity. We considered the current bridge pier cracks different applicability of several common reinforcement methods. According to the causes of the cracks, we proposed the reinforcement method of increasing pier's section and applying prestress, which could effectively improve the vase pier stress state, its crack resistance and bearing capacity.

Key words:vase pier; vertical crack; reinforcement; prestress

收稿日期：2015-05-30

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.013