某斜拉橋主塔下部墩柱裂縫分析及處治建議

焦恒見 羅文林 糜懷谷

（1、江蘇和則合建設(shè)工程有限公司，江蘇 無錫214000 2、南京博瑞吉工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京210000 3、蘇州繞城高速公路有限公司，江蘇 蘇州215000）

1 概況

某斜拉橋全寬36.5m，跨布置為（70+105）m，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆單箱三室箱梁，下部結(jié)構(gòu)為樁柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。主塔橋下主墩出現(xiàn)多條豎向、斜向裂縫，如圖1～3 所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)立面示意圖（單位：m）

圖2 橋下主塔主跨側(cè)豎、斜向裂縫

圖3 橋下主塔錨跨側(cè)豎、斜向裂縫

2 主橋整體及主塔局部分析

2.1 整體模型計算荷載及參數(shù)

2.1.1 材料參數(shù)。主梁和索塔混凝土等級C50，斜拉索采用φ7mm 高強度平行鋼絲束，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度fpk為1670MPa，預(yù)應(yīng)力鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度fpk為1860Mpa。

2.1.2 荷載。（1）一期恒載、二期恒載。（2）索塔基礎(chǔ)不均勻沉降按2cm計，輔助墩、過渡墩基礎(chǔ)不均勻沉降按1.5cm計。（3）汽車荷載等級：公路－I 級。（4）體系整體升降溫：體系升溫按17℃考慮，體系降溫按-20.6℃考慮。（5）梁截面梯度溫差：混凝土梁按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）計算。

2.1.3 荷載組合。計算中考慮的荷載組合包括：組合Ⅰ：恒載+基礎(chǔ)沉降+汽車荷載。組合Ⅱ-1：恒載+基礎(chǔ)部均勻沉降+汽車荷載+整體升溫+截面升溫梯度。組合Ⅱ-2：恒載+基礎(chǔ)部均勻沉降+汽車荷載+整體降溫+截面降溫梯度。全橋總體模型分析采用Midas/Civil 2019 程序，按設(shè)計高程進行結(jié)構(gòu)離散。主梁和主塔采用三維梁單元，斜拉索采用桁架單元。

2.2 索塔墩實體有限元分析

為分析病害產(chǎn)生的原因，采用MIDAS/FEA實體有限元軟件，建立如下實體有限元模型（圖4）。從Midas/Civil 全橋總體模型分析結(jié)果中提取斜拉橋在運營階段的索力施加于主塔實體有限元模型中的斜拉索錨塊處。根據(jù)病害特點，本次重點關(guān)注的區(qū)域為橋下主塔墩柱開裂病害部位。

圖4 橋塔實體網(wǎng)格模型圖

從上圖5～7 分析結(jié)果來看，忽略局部網(wǎng)格畸變和應(yīng)力集中區(qū)域，錨跨側(cè)墩和主跨側(cè)墩主拉應(yīng)力超過C50 混凝土設(shè)計值（1.8MPa）的區(qū)域與裂縫發(fā)生部位較為吻合，主墩拉應(yīng)力在2.2MPa～5.6MPa，實體模型中，未計入普通鋼筋的作用，故拉應(yīng)力絕對值相對較高。斜拉橋零號塊（墩梁固結(jié)處）長度21.6m，橋梁寬度36.2m，主塔傳遞下來的荷載，通過塔梁固結(jié)處梁體實心段（橫梁）橫向分配給墩身兩側(cè)空心室墩，兩側(cè)空心壁較薄，剛度小，變形大。其未充分考慮空心室墩與實心主墩的變形協(xié)調(diào)，未配置與主拉應(yīng)力方向一致的斜筋，自身抗裂性不足。

圖5 主跨側(cè)墩P1 主應(yīng)力等值面圖

2.3 橋塔輔助墩開裂影響分析

2.3.1 空心墩和實體墩分離分析結(jié)果。為分析主塔空心墩開裂后的影響，將主墩空心部分和實心部分分離，研究該種工況下主塔下部墩柱受力和變形情況。分析可知，恒載標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下，其最大主拉應(yīng)力為2.52 MPa，如圖9 所示；空心墩與主墩豎向變形量相差1mm 左右，兩者變形不協(xié)調(diào)，主墩空心部分和實心部分存在受拉趨勢，導(dǎo)致主墩出現(xiàn)斜裂縫。

2.3.2 忽略空心墩分析結(jié)果。為分析主塔空心墩開裂后的影響，計算模型中將主墩空心部分去掉，即假定空心部分完全失效，研究該種工況下主塔受力情況。采用MIDAS/FEA實體有限元軟件，建立如下網(wǎng)格模型圖10 所示。圖中應(yīng)力拉為+，壓為-。

從圖11 中得知，除箱梁與墩身交界處應(yīng)力集中外，箱梁絕大部分梁體主拉應(yīng)力為負(fù)，即梁體絕大部分不出現(xiàn)拉應(yīng)力。

從上圖12～15 分析結(jié)果來看，主塔空心墩開裂后，即使主墩空心完全失效，主墩最大主拉應(yīng)力為1.67MPa，未超高C50 混凝土抗拉設(shè)計值，由此說明主墩空心區(qū)域開裂對主塔受力影響不大。

圖6 錨跨側(cè)墩P1 主應(yīng)力等值面圖

圖7 錨跨側(cè)墩Y-Y（橫向）應(yīng)力圖

圖8 豎向變形云圖（mm）

圖9 主墩P1 主應(yīng)力等值面圖（MPa）

圖10 主墩無實心部分實體有限元模型

3 主要病害分析及處治建議

圖11 箱梁0#塊主拉應(yīng)力（P1）圖

圖12 錨跨側(cè)實心墩身主拉應(yīng)力（P1）圖

圖13 主跨側(cè)實心墩身主拉應(yīng)力（P1）圖

圖14 實心墩軸中心面主拉應(yīng)力（P1）圖

圖15 實心墩軸中心面主壓應(yīng)力（P3）圖

斜拉橋主塔在恒載作用下主要承受軸向壓力作用，根據(jù)主塔和橋墩結(jié)構(gòu)受力特點可知，主塔承擔(dān)了較多的豎向荷載，可能其下部承臺中心區(qū)域的樁基礎(chǔ)沉降比外圍樁基礎(chǔ)沉降稍大，由此導(dǎo)致橋梁主墩出現(xiàn)斜向受剪、劈裂裂縫。通過對比有空心墩模型和無空心墩模型計算結(jié)果可知：

3.1 主塔空心墩的主要作用是提高斜拉橋箱梁的橫向穩(wěn)定性、抗扭能力，以及增強主塔承臺基礎(chǔ)的傳力均勻性。在不考慮其具體作用的前提下，去除實心墩區(qū)域后，箱體對橋墩的約束變小，主墩內(nèi)側(cè)表面拉應(yīng)力值較低，小于1MPa。也即空心墩開裂不會影響結(jié)構(gòu)其余部分構(gòu)件的安全。

3.2 因空心墩與實體主墩分配的豎向荷載不同，也即實體墩承擔(dān)了較大比例的豎向荷載，導(dǎo)致其豎向變形比空心墩多1mm 左右，因此在兩者交接的范圍內(nèi)出現(xiàn)了斜裂縫。

因此，對于空心墩部分裂縫，建議暫且不作加固處理，僅作裂縫封閉、壓力灌縫和跟蹤觀測處理。