高鐵加寬圓端實體橋墩結構裂縫原因分析

陳國華

中鐵十二局集團第七工程有限公司 湖南 長沙 410004

1 工程概述

某高速鐵路一多線特大橋，為多線車站橋，站臺范圍內橋墩采用門式墩，其余均采用圓端形實心墩，墩身混凝土等級為C35，墩臺采用樁基礎，樁基為端承樁。其中某加寬實體墩墩身寬12.0m、厚2.3m、墩身高10.0m、墩帽高3m，墩身配置護面鋼筋。

2 裂縫產生原因分析

該橋墩在混凝土澆筑完1個月后，經檢查發現承臺頂至墩身3米范圍內左、中、右位置對稱出現6條豎向裂縫，裂縫最大寬度達0.36mm，最長達2.7m，對裂縫位置進行鉆芯取樣發現裂縫已發育至混凝土內部。

通過對該墩樁基質量檢測、沉降觀測數據分析排除基礎下沉導致開裂；隨后對墩身混凝土材料、施工過程、養護及混凝土強度檢查，排除材料不合格、養護不到位及強度不合格等原因。該橋墩施工階段即出現寬度較大裂縫，由于此時上部結構尚未加載，因此認為非荷載作用是開裂的主要因素。

一般實體橋墩寬度不超過8m，考慮橋墩尺寸的影響，對高速鐵路加寬實體橋墩水化熱進行理論分析和有限元分析，并對該類特殊橋墩裂縫控制提出建議，其結論也可推廣到其他橋梁結構形式的橋墩，可為今后橋墩水化熱和施工開裂的設計分析提供參考。

3 理論分析

大體積實體混凝土橋墩，水泥水化過程中產生大量的熱量，導致墩身內外溫差過大，在結構表面和內部均產生拉應力，從而引起早期開裂，結構耐久性可能因此而受到嚴重的影響，因此需要進行水化熱分析。

因混凝土水化熱所引起的溫度應力分為內部約束力和外部約束力。內部約束力是因為混凝土溫度分布的不平衡約束了結構體積的自由膨脹而發生的應力；而外部約束力是由于已澆筑的混凝土或其他因素約束了正在澆筑的混凝土的溫度變形而產生的應力。對于本文所考慮的情況，在橋墩混凝土澆筑之前，承臺混凝土已經硬化，具有很大的剛度因此將對橋墩混凝土產生很大的約束。在橋墩混凝土澆筑初期，橋墩內部混凝土溫度上升很快，而表面混凝土溫度基本穩定，內部混凝土的膨脹受到約束，因此在混凝土內部產生壓應力，而在混凝土表面產生拉應力；在混凝土澆筑后一段時間，橋墩內部溫度開始下降，此時內部混凝土的收縮同時受到承臺和表面混凝土的約束，將在混凝土內部產生較大的拉應力，而橋墩混凝土表面可能產生一定的壓應力。

本文針對該開裂橋墩開展分析，分析工況為現行《鐵路混凝土工程施工技術規程》（QCR9207-2017）8.2.7條規定的橋墩混凝土內芯溫度與表層最大溫差20°C。采用最大溫差，對橋墩混凝土內芯進行升溫，計算墩身由溫度變化引起的應力分布。

4 有限元建模分析

4.1 橋墩建模

因開裂位置在墩身，僅對墩身進行計算。考慮橋墩的對稱性、邊界條件及溫度梯度變化的對稱性，采用六面體網格進行網格劃分，建立1/4橋墩有限元模型，如圖1所示。

對承臺底面進行固定約束，對墩身橫橋向對稱面、縱橋向對稱面分別進行對稱約束。

圖1 橋墩有限元模型

4.2 溫度加載方式

根據《鐵路混凝土工程施工技術規程》（QCR9207-2 0 1 7）8.2.7 條規定：“混凝土的入模溫度（振搗后50mm～100mm深處的溫度）不宜高于28°C。混凝土澆筑體在入模溫度的基礎上升溫不大于50°C，且最高溫度不得大于65°C。混凝土芯部溫度與表層溫度之差不應大于20°C。”考慮橋墩混凝土內外溫差20°C的最不利的情況，對墩身芯部進行升溫。參考《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》（TB10092-2017）附錄B的混凝土溫差計算的規定，沿著厚度方向溫差曲線按照下列公式計算：

升溫方式一，沿厚度升溫方式如圖1所示。其中混凝土芯部溫度比表層溫度高20°C，從芯部至混凝土表層按上式溫差進行降溫。W1為墩身截面降溫過渡區域厚度，W1取0.9m。

圖2 升溫方式示意圖

升溫方式二，沿厚度升溫方式如圖1所示。其中混凝土芯部溫度比表層溫度高20°C，從芯部至混凝土表層按上式溫差進行降溫。W2為墩身截面降溫過渡區域厚度，W2取0.75m。與升溫方式一相比，升溫方式二下橋墩升溫20°C的區域增大。

4.3 計算結果

（1）升溫方式一

圖3 截面正應力

升溫方式一下橋墩截面正應力分布如圖3所示。截面外側為拉應力狀態，由外向內拉應力逐漸減小并過渡為壓應力。由外側向內厚度0m、0.15m、0.3m、0.45m處截面正應力分別為1.35MPa，1.31MPa，1.28MPa，1.26MPa。

圖4 截面最大主應力

升溫方式一下橋墩截面最大主應力分布如圖4所示。截面外側為主拉應力狀態，由外向內主拉應力逐漸減小并過渡為主壓應力。由外側向內厚度0m、0.15m、0.3m、0.45m處截面主拉應力分別為1.63MPa、1.61MPa、1.61MPa、1.60MPa。

（2）升溫方式二

圖5 截面正應力

升溫方式二下橋墩截面正應力分布如圖5所示。截面外側為拉應力狀態，由外向內拉應力逐漸減小并過渡為壓應力。由外側向內厚度0m、0.15m、0.3m、0.45m處截面正應力分別為2.45MPa、2.36MPa、2.25MPa、1.31MPa。

圖6 截面最大主應力

升溫方式二下橋墩截面最大主應力分布如圖6所示。截面外側為主拉應力狀態，由外向內主拉應力逐漸減小并過渡為主壓應力。由外側向內厚度0m、0.15m、0.3m、0.45m處截面主拉應力分別為2.75MPa、2.63MPa、2.55MPa、1.84MPa。

4.4 計算結果分析

由計算結果可知，當混凝土升溫溫度為20°C、過渡區域厚度為0.9m時，墩身主拉應力最大為1.63MPa＜2.25 MPa，滿足《鐵路混凝土結構設計規范》（TB10092-2017）3.1.4條的設計要求。當混凝土升溫溫度為20°C、過渡區域厚度為0.75m時，墩身主拉應力最大為2.75MPa＞2.25 MPa，大于《鐵路混凝土結構設計規范》（TB10092-2017）3.1.4條的設計要求。與升溫方式一相比，升溫方式二下橋墩升溫20°C的芯部區域更大，因升溫產生的主拉應力更大。因此，在《鐵路混凝土工程施工技術規程》（QCR9207-2017）8.2.7條規定要求的最大溫差下，如果能控制最大升溫區域的范圍，墩身混凝土最大主拉應力可以滿足《鐵路混凝土結構設計規范》（TB10092-2017）3.1.4條的設計要求，墩身不會出現開裂現象。當降溫措施不足，最大升溫區域過大時，會出現主拉應力超過規范設計要求的情況。因此，該橋墩由于水化熱產生的溫度應力超過墩身混凝土可承受最大主拉應力而產生結構裂縫。

5 結論

以該鐵路加寬實體墩施工階段產生結構裂縫為研究對象，對墩身混凝土水化熱溫度應力導致的開裂研究，可得出下列結論和建議：

（1）加寬實體橋墩應區別于普通實際橋墩設計，設計過程中應充分考慮加寬橋墩施工過程水泥水化反應引起的溫度裂縫，并采取相關加強措施。

（2）施工過程中如遇特殊橋墩，比如加寬或加厚，施工方案中應采取降低水化熱措施，比如選用合理的配合比、對骨料及拌和用水進行冷卻、埋設冷卻管等。

（3）根據計算結果，埋設冷卻管時應埋設在距墩身表面75cm左右處，以保證水化熱溫度過度區大于75cm，防止產生溫度裂縫。

（4）在加寬墩設計時，為了防止水化熱等因素的綜合作用引起寬度較大的橋墩豎向裂縫，可對橋墩構造箍筋進行加密加強。分析表明，加強構造鋼筋對限制裂縫寬度有良好的效果。尤其是承臺以上3m高度范圍以內，由于此區域橋墩混凝土收縮受到承臺的約束很大，引起的溫度應力和收縮應力較大，更應該加強構造鋼筋，控制施工裂縫的發展。