大体积板式墩裂缝原因分析及处理措施研究

罗仲伟

（广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广东广州 510507）

大体积板式墩裂缝原因分析及处理措施研究

罗仲伟

（广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广东广州 510507）

运用ANSYS对某高速公路分离式立交桥板式墩墩身裂缝产生的原因进行了分析，得出裂缝出现和发展的原因为墩身混凝土的收缩及降温，采用贴钢板的加固措施后，运用ANSYS分析了加固后的效果，包括墩身混凝土的应力变化及钢板的受力情况，通过分析表明采用贴钢板的处理措施是可行的，并为类似裂缝的处治提供了分析思路。

板式墩，裂缝，ANSYS，贴钢板，裂缝处理和加固

1 工程简介

某高速公路分离式立交桥结构为4×16 m空心板桥，桥梁总长为69 m。上部采用16 m跨度简支预应力钢筋混凝土空心板，下部桥台采用肋式桥台，桥墩采用板式墩。

该桥桥墩为80 cm厚薄壁式桥墩，桥墩的一般构造如图1所示。

图1 薄壁式桥墩一般构造图

墩身普遍出现裂缝，裂缝宽度在0.1mm～0.5 mm之间，均为自下往上发展，典型的裂缝如图2所示。

2 墩身裂缝的原因分析

由于裂缝均为自下往上发展，可以排除是由于上部结构自重及汽车荷载而导致。初步判断是由于大体积混凝土桥墩自身的混凝土收缩及温度（降温）而产生。为了验证此判断是否正确，采用ANSYS对墩身进行仿真分析，整体计算模型如图3所示。

图3 整体计算模型

图2 典型墩身裂缝示意图

假设墩身的混凝土收缩及降温按－20℃考虑，分析可得墩身的横向应力及第一主应力（主拉应力）如图4，图5所示。

由图4，图5可见，在墩身降温20℃的情况下，桥墩墩底（与承台相接处）在不同位置出现了较大的横向拉应力及第一主拉应力，最大的横向拉应力达到了6.72 MPa，最大的第一主拉应力则达到了8.4 MPa。桥墩混凝土标号为C30，其抗拉强度标准值为2.01 MPa，模型虽然没有考虑防裂钢筋的有效作用，但是对于这样水平的拉应力来说，裂缝的出现和发展是可能的。

图4 降温作用下横向应力

图5 降温作用下第一主应力

同时也可以看到最大横向拉应力及最大第一主拉应力出现在4.5 m（第一根桩往里约2.2 m）及9 m（第二根桩往里约1.7 m）位置附近，这与裂缝实际发生的情况相符。根据如图6所示主应力方向可以得知，第一主应力的方向在桥墩中下部基本呈水平方向，这意味着裂缝产生和发展的方向为竖直向上，并且由于拉应力在墩底处最大，故裂缝是由下往上发展。裂缝产生的位置和方向均与实际监测结果符合。

由图7可以清楚看出最大拉应力在横桥向所处的位置。

另外为了判断桥墩竖向裂缝是否由桩基不均匀沉降产生，对两个中桩按5 mm的沉降量进行分析计算。结构的横向应力及第一主应力分别如图8，图9所示。

由图8，图9可以得知，不均匀沉降产生的横向应力和第一主应力较大位置位于承台与桩的相接处，这与实际裂缝产生的情况不符，故不均匀沉降不是桥墩竖向裂缝产生的主要原因。

结论:通过上述分析可知，桥墩发生竖向裂缝的主要原因为墩身混凝土的收缩及降温。对于大体积混凝土，此类裂缝是较易产生的;且查阅原结构墩身钢筋施工图可知，水平向防裂分布钢筋采用φ8@20 cm，防裂钢筋直径偏小，分布间距较大，防裂钢筋配置不足导致裂缝的进一步发展。

图6 主应力方向图

图7 墩底处横向应力剖面图

图8 沉降作用下横向应力

图9 沉降作用下第一主应力

在裂缝分类上此类裂缝是属于非结构性裂缝，对桥梁的承载能力影响较小，但是对结构的耐久性有一定影响，尤其在裂缝宽度较大的情况下，容易导致钢筋锈蚀、碳化、裂缝的进一步发展，故需要对其进行加固处理。

3 贴钢板加固效果分析

采用在墩底2 m左右范围内贴0.25 m宽、6 mm厚的钢板对桥墩进行加固，钢板布置图如图10所示。

图10 钢板布置图

采用与裂缝原因分析模型相同的边界条件和荷载作用，经分析得到贴钢板加固后效果如下所述。

由图11，图12与图4，图5对比可以看出，横向最大拉应力加固前后由6.72 MPa降低至3.05 MPa左右，降低了约55%;最大主拉应力由8.4 MPa降低至3.19 MPa左右，降低了约62%。从应力云图也可以很清楚地看出加固后，由于钢板承担了较大部分的横向拉应力，混凝土的最大横向拉应力及最大主拉应力水平降低且在横桥向分布得更为均匀。

图11 温度作用下加固后混凝土横向应力

图12 温度作用下加固后混凝土第一主应力

如图13所示为钢板在加固后的受力状态。由图13可以看出，下侧钢板最大横向应力为20.3 MPa，并且承担了加固前对应位置混凝土的大部分拉应力，这可以解释加固后混凝土的拉应力下降的原因。加固后整体结构（混凝土及钢板）的横向应力如图14所示。由图14可以看出钢板承担了大部分的拉应力，钢板下面的混凝土的拉应力水平降低。这可以论证贴钢板的加固措施是有效可行的。

图13 温度作用下钢板的横向应力

图14 温度作用下整体结构的横向应力

4 结语

1）运用ANSYS对某高速公路分离式立交桥板式墩墩身裂缝产生的原因进行分析，得出裂缝产生的主要原因为墩身混凝土的收缩及降温。

2）运用ANSYS对贴钢板后的墩身进行对比分析，包括墩身混凝土的应力变化及钢板的应力情况。结果表明贴钢板后墩身混凝土的拉应力得到了一定程度的下降。

3）分析结果表明运用贴钢板加固措施进行墩身裂缝处理是可行的，并为类似项目的处治提供了参考和分析思路。

［1］JTJD62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范［S］.

［2］JTJD60-2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

［3］JTG/T J22-2008，公路桥梁加固设计规范［S］.

［4］JTG/T J23-2008，公路桥梁加固施工技术规范［S］.

Causes analysis and reinforcementmeasures research ofmassive plate-style pier cracks

LUO Zhong-wei

（Guangdong Highway Survey and Planning and Design Institute Co.，Ltd，Guangzhou 510507，China）

The article analyzes the cracking causes of the plate-style pier of separation-style overpass on the highway with ANSYSmethod，and concludes that the pier concrete shrinkage and temperature reduction leads to the crack occurrence and development.And then，it uses steelbonding plate for reinforcement，and analyzes the reinforcementeffectwith ANSYSmethod including the pier concrete stress alteration and steel plate stress conditions.In the end，it finds out the processingmeasure of steel-bonding plate method is feasible，which has provided analysis concept for similar cracks treatment.

plate-style pier，cracks，ANSYS，steel-bonding plate，cracks treatment and reinforcement

TU755.7

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.19.036

1009-6825（2012）19-0210-03

2012-05-07

罗仲伟（1984-），男，硕士，助理工程师