田 偉

(吉林建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春 130118)

0 引言

重力式橋臺(tái)是橋梁下部結(jié)構(gòu)中常見的一種結(jié)構(gòu)型式，利用其自身重量來平衡外力保持穩(wěn)定.隨著高等級(jí)公路的建設(shè)，相繼出現(xiàn)了許多總體尺寸大的重力式橋臺(tái)［1］.

目前，高速公路上中、小橋臺(tái)普遍存在混凝土開裂問題.從裂縫形狀看，大部分是豎直方向，也有些是斜向、水平向;裂縫有1條或多條，有的多達(dá)十幾條.豎直裂縫大多位于橋臺(tái)臺(tái)身的中下部，也有部分裂縫沿臺(tái)高豎向貫通，裂縫寬度一般在0.1 mm～0.6 mm，普遍存在于寬度較大的橋臺(tái)中［2］.

從經(jīng)濟(jì)上考慮，公路工程中一般只使用3 m～6 m高的重力式橋臺(tái).但是，在砂石料供應(yīng)方便的地區(qū)，經(jīng)過受力計(jì)算和可靠度并滿足要求后，也可以采用15 m～20 m高的重力式橋臺(tái)［3］.

1 橋臺(tái)破壞原因初探

1.1 工程概況

某公鐵立交橋全長52.86 m，設(shè)計(jì)孔跨2 m×16 m，斜交角約為60度，橋梁全寬為凈－14 m+2×2 m人行道，主梁結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支板梁，下部結(jié)構(gòu)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，片石混凝土重力式橋臺(tái)，鋼筋混凝土柱式橋墩.下部橋臺(tái)結(jié)構(gòu)中，橋臺(tái)為斜交，高均為10 m，臺(tái)帽斷面尺寸為90 cm×30 cm.前墻斜長2 372 cm，頂厚130 cm，底厚454 cm，側(cè)墻不等長，其中鈍角處外側(cè)長500 cm，銳角處外側(cè)長1 582 cm.臺(tái)身及基礎(chǔ)采用15號(hào)片石混凝土(設(shè)計(jì)片石標(biāo)號(hào)不低于25號(hào)，摻量不多于混凝土結(jié)構(gòu)體積25%).

1.2 破壞形態(tài)

該橋竣工后，次年投入使用，6年后發(fā)現(xiàn)兩側(cè)橋臺(tái)臺(tái)身及側(cè)墻出現(xiàn)不同程度裂縫，尤以一側(cè)橋臺(tái)臺(tái)身前墻豎向裂縫為重，豎向貫通且裂縫寬度較大，上寬下窄.裂縫寬度在1 cm左右，裂縫沿墻高有局部產(chǎn)生破損.上緣距長側(cè)墻外側(cè)4.52 m，下緣距長側(cè)墻外側(cè)5.57 m.側(cè)墻存在一條斜向裂縫，寬度在1 mm左右.上緣距前墻外側(cè)2.05 m，下緣距前墻外側(cè)10.05 m交與邊坡上.

1.3 破壞原因初探

《規(guī)范》［公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ022－85)［s］］規(guī)定，當(dāng)U型橋臺(tái)(重力式橋臺(tái))兩側(cè)墻寬度不小于統(tǒng)一水平截面前墻的0.4倍時(shí)，可按整體截面驗(yàn)算截面強(qiáng)度，當(dāng)橋臺(tái)截面滿足該條規(guī)定時(shí)，臺(tái)內(nèi)填土所產(chǎn)生的土壓力對(duì)橋臺(tái)影響不大，可以按整體結(jié)構(gòu)驗(yàn)算其抗力，抗滑和抗傾穩(wěn)定性，視臺(tái)內(nèi)填土為橋臺(tái)自重的一部分，勿需驗(yàn)算由此產(chǎn)生的土壓力對(duì)側(cè)墻和前墻的影響.

對(duì)于此橋臺(tái)，取任意截面進(jìn)行截面尺寸驗(yàn)算，以臺(tái)身底面為例，側(cè)墻的寬度為3.84 m，前墻截面寬度為21.64 m，3.84 m＜21.64 m×0.4=8.656 m，顯然該橋臺(tái)的截面尺寸偏小，已不能按整體截面驗(yàn)算截面強(qiáng)度.而且隨著填土高度的增加，引起的土壓力會(huì)很大，因此應(yīng)計(jì)入該土壓力對(duì)整個(gè)橋臺(tái)受力的影響.

由于受到前墻與側(cè)墻兩個(gè)方向的水平壓力之合力，其交匯處為銳角時(shí)應(yīng)力增大，當(dāng)橋臺(tái)截面尺寸偏小，抵抗能力不足時(shí)，極易在交匯處開裂，這與該橋臺(tái)開裂位置是一致的.

2 利用有限元軟件進(jìn)行原因分析

有限元法作為一種非常實(shí)用有效的數(shù)值計(jì)算方法廣泛應(yīng)用于航天、機(jī)械、土木工程等工程領(lǐng)域［4］.本文利用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)該橋臺(tái)進(jìn)行了模擬分析.

2.1 建模及前處理

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，以米為單位建立橋臺(tái)幾何模型圖.參數(shù)設(shè)定:臺(tái)身以及基礎(chǔ)采用15號(hào)片石混凝土，利用SOLID 65單元(ANSYS里專門面向混凝土，巖土材料的單元)，其密度為2 300 kg/m3，彈性模量E=4.2e109，泊松比為0.167.

臺(tái)身有限元網(wǎng)格劃分按映射網(wǎng)格劃分，便于在臺(tái)身上施加恒載以及其他載荷;由于基礎(chǔ)形狀復(fù)雜，有限元網(wǎng)格按自由網(wǎng)格劃分，臺(tái)身與基礎(chǔ)之間交界面的節(jié)點(diǎn)完全分離，不存在重合關(guān)系，利用臨近區(qū)兩個(gè)界面之間自由度約束方程，就能夠達(dá)到相互耦合的效果(如圖1所示).

2.2 ANSYS計(jì)算結(jié)果

考慮到初期土體未壓實(shí)，對(duì)基礎(chǔ)底面施加全約束，得第一主應(yīng)力，第三主應(yīng)力云圖，如圖2、圖3所示.最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在前墻和長側(cè)墻交匯處，其值為0.71 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在長側(cè)墻的角隅處，為2.47 MPa.

圖1 模型及網(wǎng)格劃分

圖2 第一主應(yīng)力云圖(主拉應(yīng)力)

圖3 第三主應(yīng)力云圖(主壓應(yīng)力)

3 橋臺(tái)開裂原因的確定

橋臺(tái)實(shí)際施工及使用過程中，一般重力式橋臺(tái)，在臺(tái)內(nèi)填土和行車荷載的作用下，前墻和側(cè)墻交匯處容易出現(xiàn)裂縫.對(duì)于此橋臺(tái)，其開裂原因如下:

(1)橋臺(tái)不滿足《規(guī)范》關(guān)于橋臺(tái)截面尺寸的規(guī)定，臺(tái)后填土隨著高度的增加會(huì)產(chǎn)生很大的土壓力，原設(shè)計(jì)明確指出橋臺(tái)后為加筋土擋墻路基設(shè)計(jì)，而經(jīng)過勘察發(fā)現(xiàn)，臺(tái)后為一般填土.因此，不能有效地減少臺(tái)后填土所引起的土壓力，橋臺(tái)將承受較大的土壓力作用;

(2)橋臺(tái)的結(jié)構(gòu)和一般橋臺(tái)有所差別，結(jié)構(gòu)的前墻和側(cè)墻并非相互垂直，前墻和右側(cè)墻交角60°，前墻和左側(cè)墻交角120°，在考慮土壓力作用的情況下，前墻和右側(cè)墻的交匯處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象;

(3)根據(jù)有限元分析可見，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在前墻和右側(cè)墻交匯臺(tái)身高度的2/3處，其值接近0.71 MPa，超過了臺(tái)身材料0.60 MPa的抗彎拉強(qiáng)度，因此在前墻和右側(cè)墻的交匯處容易出現(xiàn)裂縫;

(4)裂縫出現(xiàn)后首先會(huì)向截面寬度小的臺(tái)身上部擴(kuò)展，當(dāng)上部裂縫前后貫通后，臺(tái)身仍承受較大的臺(tái)后土壓力，對(duì)裂縫有張拉趨勢(shì)，繼而裂縫延前墻外側(cè)縱向繼續(xù)擴(kuò)展，直至上下貫穿.

4 加固措施

針對(duì)橋臺(tái)開裂的原因，在保證橋梁正常使用的前提下，依據(jù)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)制定的《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，本文提出采用碳纖維(CFRP)加固補(bǔ)強(qiáng)法對(duì)橋臺(tái)進(jìn)行加固，即沿橋臺(tái)前墻粘貼兩條碳纖維布.

4.1 采用碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)法的原因

目前，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)的傳統(tǒng)方法主要有:粘鋼法、噴射混凝土和體外預(yù)應(yīng)力法.以上方法均各有缺點(diǎn)，如自重大，易腐蝕等.碳纖維加固作為一種新興技術(shù)，國外于20世紀(jì)80年代開始應(yīng)用.我國從90年代后期著手研究，截至目前，該技術(shù)已經(jīng)比較成熟，隨著纖維造價(jià)的不斷降低，碳纖維加固技術(shù)已經(jīng)成為加固舊結(jié)構(gòu)的主要手段.

碳纖維單向布具有高強(qiáng)度、高彈性模量和耐久性好等優(yōu)點(diǎn).

4.2 結(jié)果對(duì)比及可行性分析

本文借助ANSYS軟件，對(duì)開裂橋臺(tái)進(jìn)行了模擬分析見圖4，然后對(duì)粘貼碳纖維布的橋臺(tái)進(jìn)行模擬分析見圖5，將二者裂縫部位部分節(jié)點(diǎn)的主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表1.

圖4 橋臺(tái)開裂第一主應(yīng)力圖

圖5 粘貼CFRP后橋臺(tái)第一主應(yīng)力圖

從以上分析可以看出，粘貼CFRP后比開裂橋臺(tái)的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)主拉應(yīng)力值最多減少50%以上，橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、整體性以及穩(wěn)定性得到進(jìn)一步的提高.

表1 部分節(jié)點(diǎn)主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

本文針對(duì)斜交重力式橋臺(tái)的開裂進(jìn)行了構(gòu)造與有限元分析，提出應(yīng)根據(jù)橋臺(tái)實(shí)際充分考慮臺(tái)內(nèi)填土土壓力對(duì)橋臺(tái)的影響，并對(duì)一具體橋臺(tái)進(jìn)行了有限元分析，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際橋臺(tái)開裂吻合較好，說明在設(shè)計(jì)橋臺(tái)尤其是寬大橋臺(tái)時(shí)，必須考慮臺(tái)內(nèi)填土對(duì)橋臺(tái)的不利影響，并提出采用碳纖維加固橋臺(tái)的方法.經(jīng)有限元分析，證明了該方法的有效性和實(shí)用性，為今后的舊橋臺(tái)加固提供了一種方法和借鑒.

［1］周水興，胡 娟，張 敏.重力式橋臺(tái)開裂的機(jī)理分析［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，24(4):9－12.

［2］江明生.高速公路上中小橋臺(tái)開裂成因及防治［J］.公路與汽運(yùn)，2005(3):124－125.

［3］康志民.淺談重力式高臺(tái)的施工階段驗(yàn)算和開裂病害防治措施［J］.福建建設(shè)科技，2005(5):32－33.

［4］王元漢，李麗娟，李銀平.有限元法基礎(chǔ)與程序設(shè)計(jì)［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2001:25－37.

［5］碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，2000.