某大橋主墩裂縫形成后結構驗算及承載能力分析

彭鵬 蔣志豪

摘要：文章以某預應力混凝土連續剛構橋為工程背景，運用Midas Civil、ANSYS軟件分別對橋梁整體和局部墩柱進行有限元計算，分析橋墩在施工過程中產生裂縫的原因，并對其承載能力進行結構驗算分析，可為類似橋墩裂縫分析提供依據。

關鍵詞：連續剛構;橋墩裂縫;承載能力;結構驗算

中圖分類號：U441 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.037

文章編號：1673-4874（2019）07-0119-04

0引言

隨著近年來高速公路、鐵路橋梁建設的飛速發展，橋梁數量大量增加的同時，伴隨著不少問題的出現，尤其是混凝土結構裂縫。裂縫的存在使橋梁結構的安全面臨著各種各樣的風險，微裂縫并不影響結構安全，但是寬裂縫或者裂縫不斷發展就會使橋梁壽命受到影響。本文以某連續剛構橋為工程背景，該橋橋墩存在較多裂縫，運用MidasCivil、ANSYS軟件分別對橋梁進行整體和局部計算后，就裂縫形成的原因進行分析，同時對其進行結構驗算并分析承載能力，為今后橋墩類似裂縫的分析提供參考。

1工程背景

某大橋（見圖1）主橋上部結構采用（50+90+50）m單箱單室大懸臂變截面PC連續箱梁，外腹板采用直腹板形式，箱梁頂板寬度為14m，箱梁底板寬為7m。主墩墩頂根部高5.5m，向中、邊跨方向41.5m范圍內梁高變化采用2次拋物線，其余為等高梁段，梁高2.2m。下部結構主墩采用圓柱實體墩接蓋梁形式，主墩墩身為直徑4.5m的圓柱，主墩采用1.8m的鉆孔灌注樁，樁基按摩擦樁設計。過渡墩采用圓形墩接蓋梁形式，過渡墩基礎采用4根直徑1.6m的鉆孔灌注樁，樁基按摩擦樁設計。

2主墩形成裂縫及分布情況

U 5#墩共計發現裂縫3條，裂縫總長度為14.2m。其中豎向裂縫1條，長度5.6m，寬度0.2mm，裂縫深度為74mm，并做裂縫觀測點;斜向裂縫2條，長度分別為4.8m、3.8m，寬度分別為0.16mm（裂縫深度為79 mm）、0.15mm。

R15#墩共計發現裂縫3條，裂縫總長度17.06m，均為豎向裂縫，長度分別為7.46m、5m、4.6m，寬度分別為0.15mm（設有裂縫觀測點）、0.2mm、0.12mm（裂縫深度為50 mm）。

L16#墩共計發現裂縫2條，裂縫總長度8.8m，均為豎向裂縫，長度分別為4.8m、4m，寬度分別為0.25mm（裂縫深度67mm，設有裂縫觀測點）、0.18mm（裂縫深度67mm）。

R16#墩共計發現裂縫4條，裂縫總長度13.5m。其中豎向裂縫2條，長度分別為3m、4.6m，寬度分別為0.15mm、0.3mm（裂縫深度為54mm）;斜向裂縫2條，長度分別為2.1m、3.8m，寬度分別為0.14mm、0.36mm（裂縫深度為79 mm，設有裂縫觀測點）。裂縫基本上沿橋縱向對稱，裂縫在墩柱上面的分布如圖2所示。

3主墩形成裂縫前承載力

根據某大橋的設計圖紙，采用Midas Civil 2017軟件進行建模分析。模型共170個梁單元，189個節點。墩頂節點與支座下節點用彈性連接的剛性連接，支座用彈性連接的一般連接，限制位移、轉角方向剛度為1×107kN/m，支座上節點與主梁用剛性連接。見圖3。

3.1主要荷載

（1）結構恒載（一期、二期）;

（2）汽車荷載采用公路一I級;

（3）制動力;

（4）溫度荷載;

（5）支座不均勻沉降;

（6）預應力。

3.2驗算截面的選?。ㄒ妶D4）

選取裂縫產生較多的位置，根據裂縫的分布情況選取墩頂往下4.5m進行驗算。

4主墩形成裂縫后承載力

主墩形成裂縫后，主墩的截面尺寸按照最大裂縫深度（直徑方向0.08m）的最大值考慮2倍安全系數進行折減，主墩承載能力按折減后的尺寸進行驗算。

4.1主要荷載

（1）結構恒載（一期、二期）;

（2）汽車荷載采用公路一I級;

（3）制動力;

（4）溫度荷載;

（5）支座不均勻沉降;

（6）預應力。

4.2驗算截面的選取

選取裂縫產生較多的位置，根據裂縫的分布情況選取墩頂往下4.5m的一個截面來進行驗算。

5主墩ANSYS實體模型分析結構內力及裂縫

根據設計圖紙，采用大型通用有限元軟件ANSYS進行墩柱實體建模分析。為計算施工過程墩身受力最不利情況，墩高取9 m。墊石、帽梁及墩身均采用Solid65單元，共24640個單元。假設裂縫在成橋最不利情況下形成，墩柱承受的主要荷載為墩身自重以及來自上部結構的支座反力。支座反力取上述Midas Civil模型中基本組合最不利情況下的支反力，一個支座豎向力為28159.49 kN，水平力為173.23kN。另一個支座豎向力為24800.75kN，水平力為403.4kN。具體實體模型如圖5所示。

在墊石、墩身及帽梁自重和上部結構傳遞的支反力共同作用下墩身第一主應力、第二主應力、第三主應力云圖如圖6～8所示。

從圖5～8可以看出，最大主拉應力和最大主壓應力均出現在墩頂以及墩底附近的外側，最大主拉應力出現在第一主應力中，其值為0.395MPa，小于C40混凝土抗拉強度設計值1.65MPa最大主壓應力出現在第三主應力中，其值為8MPa，亦小于C40混凝土抗壓強度設計值18.4MPa。因此，理論狀態下橋墩不會出現裂縫。

現場測量的裂縫主要集中在墩身中間處上下2m左右范圍。根據整體墩身應力云圖，提取墩身中間處受力較大側1/2周長范圍內外側單元進行取證分析，該部分單元主應力云圖及主應力方向圖如圖9～12所示。

從圖9～12中第一、第二、第三主應力可以知道，可能使結構產生受拉裂縫的是第一主應力中的主拉應力，方向是水平方向，但該處應力值為0.049 MPa，遠小于C40強度設計允許值1.65MPa，因此該裂縫不會是因支座反力和自重荷載作用下的主拉應力形成的。而豎向的第三主應力中提取的主壓應力為4.55 MPa，亦小于C40的設計允許值18.4 MPa，滿足規范要求，不會出現受壓破壞裂縫。綜上所述，根據實體模型計算結果，橋墩出現裂縫的位置理論狀態下不會產生結構受拉、受壓裂縫。根據現場裂縫深度及分布情況測量和以往工程經驗可知，該裂縫可能是因為施工過程中澆筑大體積混凝土時水化熱產生的溫度微裂縫，并不會對結構的承載力產生較大的影響，也不會影響橋梁結構運營安全。

6結語

（1）裂縫形成前，主墩的承載能力是完全滿足規范要求的。

（2）裂縫形成后，主墩的截面尺寸按照最大裂縫深度（直徑方向0.08m）的最大值考慮2倍安全系數進行折減，折減后的主墩承載能力依然滿足規范要求。

（3）根據裂縫形成前后主墩縱橋向、橫橋向偏壓承載力的對比情況可知，裂縫形成后主墩偏壓承載力折減非常小，幾乎可以忽略不計。

（4）根據實體模型計算結果，橋墩出現裂縫的位置理論狀態下不會產生結構受拉、受壓裂縫。根據現場裂縫深度及分布情況測量和以往工程經驗可知，該裂縫可能是因為施工過程中澆筑大體積混凝土時水化熱產生的溫度微裂縫，并不會對結構的承載力產生較大的影響，也不會影響橋梁結構運營安全。