花瓶型橋墩裂縫分析及維修加固技術

劉國金

(遼寧省交通規劃設計院，遼寧沈陽 110166)

花瓶型橋墩裂縫分析及維修加固技術

劉國金

(遼寧省交通規劃設計院，遼寧沈陽 110166)

針對花瓶型橋墩出現的裂縫，通過橋梁規范計算公式和大型通用有限元軟件的三維實體仿真建模，對混凝土花瓶型橋墩受力及裂縫成因進行了分析研究，并提出了合理的維修加固技術，以保證花瓶型橋墩結構受力及耐久性安全。

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1 工程概況

某互通式立交內的匝道橋(C匝道、D匝道、E匝道)均采用預應力混凝土現澆連續箱梁，B匝道橋采用鋼筋混凝土現澆連續箱梁。其中B，C，D，E匝道橋下部結構采用花瓶型橋墩，鉆孔灌注樁基礎。花瓶型橋墩墩身底緣寬2.2 m，頂緣寬3.74 m，墩厚1.2 m。互通立交花瓶型橋墩橋梁統計表見表1。

表1 互通立交花瓶型橋墩橋梁統計表

典型花瓶型橋墩立面圖如圖1所示，橋墩典型橫斷面圖如圖2，圖3所示。

圖1 花瓶型橋墩立面示意圖（單位：cm，比例1∶100）

圖2 A—A截面示意圖（單位：cm）

2 存在問題及分析

交工檢測驗收發現:花瓶型橋墩沿墩頂中心位置出現寬0.4 mm、深1.5 cm、長40 cm的U形裂縫。初步分析其原因，裂縫所處位置為花瓶型墩頂兩支座間的混凝土受拉區域，根據拉—壓模型(Strut-tie Model)理論，其主要原因是橋墩兩支座間距較大，在兩邊兩豎向支座力作用下，墩身斜向混凝土的支撐反力在兩支座間橋墩混凝土中產生較大的水平拉應力導致，如設計中沒有在該受拉區域配置足夠的抗拉鋼筋，就有可能使該區域配置的受拉鋼筋拉應力過大而使混凝土裂縫寬度不能滿足設計規范要求。

圖3 B—B截面示意圖（單位：cm）

3 理論計算分析

為了分析該花瓶型橋墩混凝土開裂區域裂縫形成機理，通過以下三方面內容進行驗算分析:1)強度驗算，采用橋梁規范中的“撐桿—系桿”體系對花瓶墩的強度進行驗算;2)墩頂應力分析:采用ANSYS有限元實體模型分析墩頂范圍內的應力狀態;3)裂縫驗算:采用橋梁規范中的裂縫計算公式對墩頂裂縫寬度進行計算。

3.1 強度驗算

依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》8.5.3條“撐桿—系桿”體系進行橋墩驗算，計算中所取各中墩支反力數值如表2所示。

表2 橋梁支反力匯總

撐桿、系桿模型如圖4所示，驗算表見表3。

表3 撐桿、系桿驗算表

3.2 墩頂應力分析

采用ANSYS有限元建立實體模型分析，其中混凝土利用單元Solid65進行模擬，C40材料彈性模量取為3.25×104MPa，泊松比取為0.2，結構幾何模型及有限元計算模型如圖5，圖6所示。

圖4 橋墩撐桿、系桿模型

圖5 結構幾何模型

圖6 結構有限元模型

分別選取結構在恒載、活載max支反力的作用下進行計算分析，其中在恒載作用下結構受力如圖7，圖8所示。

圖7 橋墩橫向應力（單位：kPa）

圖8 橋墩豎向應力（單位：kPa）

各匝道花瓶型橋墩墩頂中心處橫橋向拉應力如表4所示。

表4 各匝道橋墩墩頂橫向正應力

3.3 裂縫計算

依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》6.4.3:

其中，C1為鋼筋表面形狀系數，對于HRB335帶肋鋼筋C1= 1．0。C2為長期效應系數，偏于安全取C2=1．5;C3為與構件受力性質有關的系數，對于鋼筋混凝土受拉構件C3=1．2;ρ為縱向受拉鋼筋配筋率;σss為鋼筋應力，對于受拉構件，鋼筋應力按撐桿、系桿進行計算，具體鋼筋應力及裂縫寬度計算過程參見表5。

通過上述計算分析，得出如下結論:按照規范撐桿系桿體系進行計算，以上橋墩均能滿足承載力要求。B匝道橋墩裂縫寬度較小，能夠滿足橋梁結構耐久性需求;C匝道橋、D匝道橋、E匝道橋橋墩裂縫較大，結構耐久性較差。

表5 花瓶型橋墩鋼筋應力、裂縫寬度計算

4 維修加固方案

4.1 封閉裂縫

對于花瓶型橋墩裂縫寬度不小于0.10 mm，采用灌注環氧樹脂膠進行處理;對于花瓶型橋墩裂縫寬度小于0.10 mm，應進行涂膠封閉處理。

4.2 加筋補強

鑿除原花瓶型橋墩墩頂110 cm高度范圍內的箍筋保護層厚度，對應箍筋位置焊接8根或10根直徑為16 mm HRB400鋼筋進行補強。

4.3 張拉預應力鋼筋補強

花瓶型橋墩墩頂110 cm高度范圍內外包C40耐久性混凝土，張拉4根直徑為25mm的精軋螺紋鋼筋。花瓶型橋墩加固構造見圖9。

圖9 花瓶型橋墩加固構造圖

5 結語

本文針對花瓶型橋墩出現的裂縫，分別采用橋梁規范計算公式和大型三維有限元通用程序ANSYS實體仿真建模，對花瓶型橋墩出現的裂縫進行詳細的受力分析，并提出具體的維修加固技術，從而保證了花瓶型橋墩結構的安全性，為以后同類型橋墩的維修加固設計提供參考依據。

［1］ JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

［2］ JTG/T J22—2008，公路橋梁加固設計規范［S］.

［3］ 諶潤水，胡釗芳，帥長斌.公路舊橋加固技術與實例［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］ 楊方淵，牛 犇.橋梁維修與加固［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［5］ 郝文化.ANSYS土木工程應用實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

The analysis on vase type pier crack analysis and maintenance reinforcement technology

Liu Guojin

(Liaoning Traffic Planning and Design Institute，Shenyang 110166，China)

In view of vase type piers cracks，through the three-dimensional entity emulation modeling of bridge specification calculation formula and large general finite element software，analyzed and researched the concrete type vase pier stress and crack causes，and put forward reasonable maintenance technology，to ensure the vase type pier structure and durability safety.

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U445

A

1009-6825(2015)29-0170-02

2015-08-07

劉國金(1978-)，男，碩士，高級工程師