武立新，李松，唐英

(1.廣西柳州市政設(shè)計(jì)研究院，廣西柳州545004;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031; 3.中鐵西南科學(xué)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(shè)計(jì)研究院，廣西柳州545004;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031; 3.中鐵西南科學(xué)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(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，采用三維仿真數(shù)值模型，分析了鋼筋混凝土T形橋墩蓋梁的開裂機(jī)理。研究結(jié)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(nèi)部拉應(yīng)力超出混凝土材料的抗拉強(qiáng)度允許值造成的，屬于結(jié)構(gòu)性裂縫，設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視。這類橋墩蓋梁的內(nèi)部應(yīng)力情況復(fù)雜，采用通常的空間桿系模型難以掌握其內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，設(shè)計(jì)中應(yīng)采用三維仿真數(shù)值模型分析。此外，從蓋梁開裂機(jī)理的角度，探討了相應(yīng)的設(shè)計(jì)對策。

T形橋墩 蓋梁 開裂

鋼筋混凝土T形橋墩(即獨(dú)柱式橋墩)具有結(jié)構(gòu)簡潔、橋下空間占用少、后期維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，是現(xiàn)代城市橋梁建設(shè)中最為常用的一種橋墩形式。然而，在實(shí)際施工和營運(yùn)過程中，相當(dāng)數(shù)量的鋼筋混凝土T形橋墩出現(xiàn)了不同程度的開裂現(xiàn)象［1-6］。開裂位置分別出現(xiàn)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(jié)構(gòu)整體安全的不可忽視的因素之一。

從結(jié)構(gòu)分析的角度講，鋼筋混凝土T形橋墩的受力機(jī)理較為復(fù)雜?，F(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)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(dǎo)性建議或規(guī)定。在理論研究方面，對于采用T形橋墩的橋梁結(jié)構(gòu)，其研究內(nèi)容主要集中在上部預(yù)應(yīng)力(鋼筋)混凝土梁體的受力分析和所采用的結(jié)構(gòu)形式、以及連續(xù)獨(dú)柱墩橋梁的橫向失穩(wěn)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(guān)問題的研究尚不多見。為確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)質(zhì)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(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，通過采用系統(tǒng)的、有針對性的3D數(shù)值仿真分析，探討鋼筋混凝土T形橋墩墩頂?shù)氖芰C(jī)理及其開裂和相關(guān)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁體系。設(shè)計(jì)荷載等級為城—A級。道路等級為城市主干道Ⅰ級。主線設(shè)計(jì)時速為50 km/h，匝道設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的橋墩采用T形橋墩，橋墩基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，支座為板式橡膠支座，如圖1所示。

圖1 T形橋墩構(gòu)造(單位:cm)

檢測發(fā)現(xiàn)，該橋有7個橋墩的墩頂蓋梁上出現(xiàn)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(shù)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(yīng)力的準(zhǔn)確分布情況，本文采用實(shí)體單元模擬T形橋墩各部分的力學(xué)行為。模型邊界條件按墩底固結(jié)考慮。為使數(shù)值模型盡可能與實(shí)際結(jié)構(gòu)相同，提高仿真度，本模型各主體部分的尺度與橋墩實(shí)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(jì)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(cè)支座所承受的反力不同，分別為1 718 kN/側(cè)，2 144 kN/側(cè)。

上部結(jié)構(gòu)經(jīng)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(fā)，本次分析中未考慮混凝土的收縮、徐變等時變參數(shù)的影響效應(yīng)。

圖3 橋墩3D數(shù)值模型

3 蓋梁開裂機(jī)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(yīng)力分布形態(tài)如圖4所示。橋墩中橫橋向和順橋向的應(yīng)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(yīng)力出現(xiàn)在蓋梁中、上部位。最大拉應(yīng)力值如表1所示。

圖4 最大主拉應(yīng)力分布(單位:kPa)

圖5 橫橋向橋墩應(yīng)力分布(單位:kPa)

圖6 順橋向橋墩應(yīng)力分布(單位:kPa)

表1 蓋梁內(nèi)最大拉應(yīng)力數(shù)值

表中數(shù)據(jù)顯示:該T形橋墩蓋梁中順橋向雖然存在拉應(yīng)力區(qū)，但其最大拉應(yīng)力僅為1.139 MPa，小于C30混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因而在橋墩蓋梁的這一側(cè)不會出現(xiàn)裂縫。這與實(shí)際檢測結(jié)果一致。

而在橫橋向，蓋梁中最大拉應(yīng)力達(dá)4.683 MPa，超出C30混凝土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值一倍多，是C30混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的3倍多。此外，對比圖2、圖5可以看出，橋墩蓋梁的實(shí)際開裂區(qū)域與仿真分析結(jié)果中顯示的拉應(yīng)力區(qū)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(jié)構(gòu)性裂縫，設(shè)計(jì)中必須予以高度重視。

4 T形橋墩蓋梁設(shè)計(jì)對策

相關(guān)檢測試驗(yàn)和仿真分析結(jié)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(nèi)部拉應(yīng)力超出混凝土材料的抗拉強(qiáng)度允許值造成的。為有效減小這類蓋梁中的拉應(yīng)力，綜合上述仿真分析結(jié)果，設(shè)計(jì)中可綜合采用如下措施:

1)采用仿真數(shù)值模型分析出T形橋墩蓋梁內(nèi)部的應(yīng)力大小及其分布狀態(tài)。并依據(jù)分析結(jié)果采用高等級混凝土或配置足夠數(shù)量的鋼筋。

2)對于拉應(yīng)力較大的蓋梁，可在蓋梁內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力筋。

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

4)改變蓋梁形狀，增加承托尺寸，設(shè)計(jì)成花瓶形狀。

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

5 結(jié)語

由于T形橋墩蓋梁內(nèi)部應(yīng)力分布復(fù)雜，采用通常的桿系結(jié)構(gòu)有限元分析方法已難以滿足設(shè)計(jì)的實(shí)際需要。在橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范尚未對這類問題制定出明確、簡潔的規(guī)定之前，采用數(shù)值仿真分析掌握蓋梁中的應(yīng)力分布狀態(tài)和大小，從而采取針對性設(shè)計(jì)措施是現(xiàn)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(shù)值模型，結(jié)合某城市橋梁的檢測試驗(yàn)成果，分析探討了鋼筋混凝土T形橋墩蓋梁的開裂機(jī)理。以此為基礎(chǔ)，提出了一些有益的設(shè)計(jì)建議?？晒┫嚓P(guān)設(shè)計(jì)、施工以及同類研究參考。

［1］項(xiàng)貽強(qiáng)，李毅，王暉.獨(dú)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(dú)柱高墩連續(xù)彎梁橋病害評估與處治［J］.鐵道建筑，2013(7):23-25.

［4］林曉娟.獨(dú)柱墩橋梁常見問題及原因分析［J］.工程與建設(shè)，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(jī)理分析與處置對策［J］.公路，2014(4):104-106.

［7］項(xiàng)貽強(qiáng)，陳雪獎，劉成熹，等.獨(dú)柱式橋墩裂縫寬度計(jì)算方法及試驗(yàn)研究［J］.中國公路學(xué)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(zé)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。