淺談花瓶墩病害成因及加固

陳建榮

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧沈陽 110166)

1 橋梁概況

某橋跨徑布置為31+50+31=112m，橋面寬度為20.5 m。

上部結構為單箱多室箱梁，下部為獨柱花瓶墩。橋墩頂面尺寸為2.4 m×8 m，下部尺寸為2.4 m×4.5 m。墩頂設兩支座，支座間距為6 m。橋型布置見圖1。

(a)立面

(b)平面圖1 橋型布置

2 病害情況

全橋共4個花瓶墩，在施工過程中發現墩頂跨中區域均出現沿順橋向墩頂面貫通，并沿墩側面向墩底延伸的U形裂縫，裂縫寬度從0.6～2 mm不等。經檢測，橋墩強度滿足設計要求，圖2為S10橋墩裂縫分布圖。

(a)S10橋墩北側立面裂縫分布(單位:cm)

(b)S10橋墩南側立面裂縫分布(單位:cm)

(c)S10橋墩頂面圖2 S10橋墩裂縫分布

3 加固前橋墩受力分析

3.1 基本荷載

根據上部計算結果，上部主梁恒載反力為12 590 kN；混凝土及防撞墻鋪裝反力為1 875 kN。

3.2 材料基本參數

橋墩采用C40混凝土，彈性模量采用3.25×104MPa,泊松比為0.2，抗拉強度標準值2.4 MPa，抗拉強度設計值1.65 MPa；鋼絞線采用抗拉強度標準值1 860 MPa低松弛鋼絞線，彈性模型195 000 MPa，采用低回縮錨具。墩高按照8 m進行計算。

3.3 計算模型

依據Midas FEA建立空間有限元模型模型，橋墩用實體單元模擬。邊界條件為墩底固結。計算模型見圖3。

圖3 加固前計算模型

3.4 計算結果

計算結果如見圖4～圖10所示。

圖4 橋墩應力云

圖5 拉應力數值為4.2MPa等值面

圖6 拉應力數值為4.0MPa等值面

圖7 拉應力數值為0MPa等值面(等值面在跨中距梁頂1.8m左右)

圖8 拉應力數值為1.65MPa等值面(等值面在跨中距梁頂1.0m左右)

圖9 現狀拉應力數值為2.4MPa等值面(等值面在跨中距梁頂0.6m左右)

圖10 現狀拉應力數值為4.6MPa等值面

3.5 受力分析

從圖4～圖9可以看出，主梁墩頂兩支座之間區域出現較大面積受拉區域，橋墩最大拉應力為 4.2 MPa，最大拉應力出現在距離墩橫橫橋向外側2.4 m處，支座間墩頂其他區域最大拉應力也達到了4.0 MPa左右，拉應力遠遠大于C40混凝土抗拉強度標準值2.4 MPa；從圖8可以看出，跨中距墩頂1.0 m高度范圍內拉應力數值均超出C40混凝土抗拉強度設計值1.65 MPa，從圖9可以看出跨中距墩頂0.6 m高度范圍內拉應力數值均超出C40混凝土抗拉強度標準值2.4 MPa；從圖10可以看出最大壓應力出現在支座正下方橋墩外側面，壓應力最大數值為4.7 MPa，遠遠小于混凝土抗壓橋墩。

4 病害成因分析

根據受力分析結果，本橋在墩頂兩支座區域存在較大的拉應力。名義最大拉應力為4.2 MPa，墩頂僅僅配置直徑12 mm、間距為100 mm的防裂鋼筋網，本橋墩頂受拉鋼筋配置不足，導致拉應力超過混凝土抗拉強度，混凝土開裂。

5 加固方法

依據設計單位推薦的加固方案，選取墩頂體外預應力鋼絞線方案進行計算分析。墩頂橫橋向布置8φs15.2-12長鋼束，鋼束錨固與鋼錨梁上。墩頂截面厚度方向增大35 cm，寬度方向增大100 cm以布置鋼絞線。在增加混凝土表面設置直徑25 mm，間距100 mm鋼筋網。加固方案如圖11所示。

6 加固后檢算

6.1 運營階段應力檢算

從圖12～圖13可以看出，運營后，除鋼束錨后局部應力外，橋墩橫橋向正截面最大拉應力0.5 MPa，滿足規范要求。

6.2 墩頂拉桿檢算

按照新的《鋼筋混凝土和預應力混凝土規范》(總校稿)，對拉桿進行計算(表1)。

表1 拉桿計算

目前配鋼束為8x12=96根，滿足規范要求。

6.3 墩底強度檢算

荷載組合數值見表2。

(a) 立面(橫橋向)

(b) 側面(縱橋向)

(c) 墩頂平面圖11 加固鋼束布置

圖12 標準組合橋墩橫橋向正截面應力云

圖13 標準組合拉應力數值為0.5MPa等值面

表2 荷載組合數值

橋墩承載能力為[Nd]=183050.3kN，[Md]=413691.8kN，彎矩較小，未出現裂縫。

7 結論及建議

(1)加固前橋墩墩頂拉應力較大，超出混凝土抗拉強度值。

(2)加固后，營運狀態，橋墩最大拉應力為0.5 MPa，滿足規范要求。

(3)本橋計算模型是基于低回縮錨具，回縮值假定為2 mm進行計算，如果采用正常錨具，由于預應力鋼束較短，損失較大，混凝土拉應力數值將顯著增加。建議采用低回縮錨具。

(4)花瓶墩設計時應加強墩頂受力檢算，支座間距較大時應該設計足夠的墩頂抗拉鋼筋。