鋼筋混凝土T形橋墩蓋梁開裂若干問題的探討

武立新，李松，唐英

(1.廣西柳州市政設計研究院，廣西柳州545004;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031; 3.中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都611731)

鋼筋混凝土T形橋墩蓋梁開裂若干問題的探討

武立新1，李松2，唐英3

(1.廣西柳州市政設計研究院，廣西柳州545004;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031; 3.中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都611731)

針對鋼筋混凝土T形橋墩蓋梁開裂問題，以某城市大型立交橋中鋼筋混凝土T形橋墩的檢測試驗結果為基礎，采用三維仿真數值模型，分析了鋼筋混凝土T形橋墩蓋梁的開裂機理。研究結果表明:鋼筋混凝土T形橋墩的蓋梁開裂問題，一般是由于其自身內部拉應力超出混凝土材料的抗拉強度允許值造成的，屬于結構性裂縫，設計中應予以重視。這類橋墩蓋梁的內部應力情況復雜，采用通常的空間桿系模型難以掌握其內部應力狀態，設計中應采用三維仿真數值模型分析。此外，從蓋梁開裂機理的角度，探討了相應的設計對策。

T形橋墩 蓋梁 開裂

鋼筋混凝土T形橋墩(即獨柱式橋墩)具有結構簡潔、橋下空間占用少、后期維護方便、經濟性好等特點，是現代城市橋梁建設中最為常用的一種橋墩形式。然而，在實際施工和營運過程中，相當數量的鋼筋混凝土T形橋墩出現了不同程度的開裂現象［1-6］。開裂位置分別出現在墩頂、墩身和墩底等不同部位。橋墩開裂已成為影響橋梁結構整體安全的不可忽視的因素之一。

從結構分析的角度講，鋼筋混凝土T形橋墩的受力機理較為復雜。現行設計規范對這類橋墩的開裂問題，尤其是蓋梁(墩頂)的開裂問題，尚缺乏令人滿意的指導性建議或規定。在理論研究方面，對于采用T形橋墩的橋梁結構，其研究內容主要集中在上部預應力(鋼筋)混凝土梁體的受力分析和所采用的結構形式、以及連續獨柱墩橋梁的橫向失穩和抗傾覆安全評價與加固等方面［7］。而對于鋼筋混凝土T形橋墩墩頂本身的開裂及其相關問題的研究尚不多見。為確保橋梁結構的安全，進一步提高設計質量，本文以某大型城市立交橋中的鋼筋混凝土T形橋墩的檢測試驗結果為基礎，通過采用系統的、有針對性的3D數值仿真分析，探討鋼筋混凝土T形橋墩墩頂的受力機理及其開裂和相關設計問題。

1 工程背景

某城市大型全互通式立交橋由1座主線橋和8座匝道橋組成。該橋上部結構采用預應力混凝土連續箱梁體系。設計荷載等級為城—A級。道路等級為城市主干道Ⅰ級。主線設計時速為50 km/h，匝道設計時速為30 km/h。最小平曲線半徑35 m，最大縱坡5.3%。主梁采用C40混凝土，橋墩蓋梁、墩身、承臺等采用C30混凝土。下部結構的橋墩采用T形橋墩，橋墩基礎為樁基礎，支座為板式橡膠支座，如圖1所示。

圖1 T形橋墩構造(單位:cm)

檢測發現，該橋有7個橋墩的墩頂蓋梁上出現了不同程度的豎向裂縫，裂縫寬度為0.1～0.3 mm，裂縫長度為5～30 cm。本文以位于曲線匝道橋的5號橋墩為研究對象。該墩墩身高度13 m，裂縫分布情況如圖2所示。匝道橋跨徑組合為:(17.5+20+2×22+ 20)m+(20+2×22+17.5)m。

圖2 橋墩蓋梁開裂情況(單位:cm)

2 數值仿真模型的建立

考慮到常用的桿系單元難以獲取T形橋墩蓋梁各部分應力的準確分布情況，本文采用實體單元模擬T形橋墩各部分的力學行為。模型邊界條件按墩底固結考慮。為使數值模型盡可能與實際結構相同，提高仿真度，本模型各主體部分的尺度與橋墩實際幾何尺度一致。圖3所示即為該T形橋墩的三維仿真模型。

本次計算中考慮的荷載主要有:橋墩在其自重、上部梁體重量以及汽車活載等作用下的最不利組合荷載。由于該橋墩位于曲線上，橋梁中軸線兩側支座所承受的反力不同，分別為1 718 kN/側，2 144 kN/側。

上部結構經支座傳遞至蓋梁的荷載，模型中采用等效均布荷載模擬(如圖3所示)。從本文的研究需要出發，本次分析中未考慮混凝土的收縮、徐變等時變參數的影響效應。

圖3 橋墩3D數值模型

3 蓋梁開裂機理分析

在由恒載和汽車活載的最不利荷載組合作用下，該T形橋墩中最大主拉應力分布形態如圖4所示。橋墩中橫橋向和順橋向的應力分布情況分別如圖5、圖6所示。從圖4—圖6中可以看出，該T形橋墩中的最大拉應力出現在蓋梁中、上部位。最大拉應力值如表1所示。

圖4 最大主拉應力分布(單位:kPa)

圖5 橫橋向橋墩應力分布(單位:kPa)

圖6 順橋向橋墩應力分布(單位:kPa)

表1 蓋梁內最大拉應力數值

表中數據顯示:該T形橋墩蓋梁中順橋向雖然存在拉應力區，但其最大拉應力僅為1.139 MPa，小于C30混凝土強度設計值，因而在橋墩蓋梁的這一側不會出現裂縫。這與實際檢測結果一致。

而在橫橋向，蓋梁中最大拉應力達4.683 MPa，超出C30混凝土的強度標準值一倍多，是C30混凝土強度設計值的3倍多。此外，對比圖2、圖5可以看出，橋墩蓋梁的實際開裂區域與仿真分析結果中顯示的拉應力區域一致。由此可見:圖2中顯示的該T形橋墩蓋梁的豎向裂縫屬結構性裂縫，設計中必須予以高度重視。

4 T形橋墩蓋梁設計對策

相關檢測試驗和仿真分析結果顯示，鋼筋混凝土T形橋墩的蓋梁開裂問題，往往都是由于其自身內部拉應力超出混凝土材料的抗拉強度允許值造成的。為有效減小這類蓋梁中的拉應力，綜合上述仿真分析結果，設計中可綜合采用如下措施:

1)采用仿真數值模型分析出T形橋墩蓋梁內部的應力大小及其分布狀態。并依據分析結果采用高等級混凝土或配置足夠數量的鋼筋。

2)對于拉應力較大的蓋梁，可在蓋梁內設置一定數量的預應力筋。

3)增加蓋梁上的支座數量或調整蓋梁上的支座位置，從而改善T形橋墩蓋梁的受力狀態，減小蓋梁中的最大拉應力。

4)改變蓋梁形狀，增加承托尺寸，設計成花瓶形狀。

5)對于單車道匝道可采用點支撐和墩梁固結相結合來代替雙支座，以改善受力情況。

5 結語

由于T形橋墩蓋梁內部應力分布復雜，采用通常的桿系結構有限元分析方法已難以滿足設計的實際需要。在橋梁設計技術規范尚未對這類問題制定出明確、簡潔的規定之前，采用數值仿真分析掌握蓋梁中的應力分布狀態和大小，從而采取針對性設計措施是現階段解決這類問題徹底、有效的方法。

針對鋼筋混凝土T形橋墩蓋梁的開裂問題，本文采用三維仿真數值模型，結合某城市橋梁的檢測試驗成果，分析探討了鋼筋混凝土T形橋墩蓋梁的開裂機理。以此為基礎，提出了一些有益的設計建議。可供相關設計、施工以及同類研究參考。

［1］項貽強，李毅，王暉.獨柱T型橋墩裂縫成因分析及加固方法研究［J］.中國市政工程，2005，18(6):18-19.

［2］李新樂，竇慧娟.鋼筋混凝土橋墩頂帽豎向開裂原因分析及加固對策［J］.鐵道建筑，2007(8):16-19.

［3］李林杰，柯在田，張勇，等.某獨柱高墩連續彎梁橋病害評估與處治［J］.鐵道建筑，2013(7):23-25.

［4］林曉娟.獨柱墩橋梁常見問題及原因分析［J］.工程與建設，2013，27(2):198-200.

［5］華昊.神朔線燕家塔特大橋橋墩病害檢測分析及加固方案研究［J］.鐵道建筑，2013(10):31-33.

［6］張小斌，趙琪.雙懸臂混凝土蓋梁開裂機理分析與處置對策［J］.公路，2014(4):104-106.

［7］項貽強，陳雪獎，劉成熹，等.獨柱式橋墩裂縫寬度計算方法及試驗研究［J］.中國公路學報，2013，26(4):64-70.

Discussion on some problems about crack of bent cap of T-shaped reinforced concrete bridge's pier

WU Lixin1，LI Song2，TANG Ying3
(1.Guangxi Liuzhou Municipal Design Institute，Liuzhou Guangxi 545004，China;2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China;3.China Southwest Research Institute of China Railway Engineering Company Limited，Chengdu Sichuan 611731，China)

T he bent-cap cracking in reinforced concrete T-shaped piers was discussed in this paper.T he cracking mechanism of the bent-cap was analyzed with a 3D numerical simulation，which was based on the test result of reinforced concrete T-shaped piers of a large urban f lyover.T he result showed that the bent-cap cracking of reinforced concrete T-shaped pier was caused when the internal tensile stress was more than the allowable stress.In design，such structural cracks shall be attached importance.Due to the complicated stress state in the bent-cap，the stress distribution was difficult to analyze with space beam models.Rather，the 3D numerical models shall be used to calculate the stress in the bent-cap.In addition，the design strategy of the bent-cap was investigated from the point of view of the cracking mechanism.

T-shaped pier;Bent-cap;Cracking

U443.22;TU375

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.03

1003-1995(2015)05-0009-03

(責任審編孟慶伶)

2015-01-10;

2015-03-03

武立新(1966—)，男，河南南陽人，高級工程師，碩士。