重力式桥台开裂原因的有限元分析与加固措施*

田 伟

(吉林建筑工程学院土木工程学院，长春 130118)

0 引言

重力式桥台是桥梁下部结构中常见的一种结构型式，利用其自身重量来平衡外力保持稳定.随着高等级公路的建设，相继出现了许多总体尺寸大的重力式桥台［1］.

目前，高速公路上中、小桥台普遍存在混凝土开裂问题.从裂缝形状看，大部分是竖直方向，也有些是斜向、水平向;裂缝有1条或多条，有的多达十几条.竖直裂缝大多位于桥台台身的中下部，也有部分裂缝沿台高竖向贯通，裂缝宽度一般在0.1 mm～0.6 mm，普遍存在于宽度较大的桥台中［2］.

从经济上考虑，公路工程中一般只使用3 m～6 m高的重力式桥台.但是，在砂石料供应方便的地区，经过受力计算和可靠度并满足要求后，也可以采用15 m～20 m高的重力式桥台［3］.

1 桥台破坏原因初探

1.1 工程概况

某公铁立交桥全长52.86 m，设计孔跨2 m×16 m，斜交角约为60度，桥梁全宽为净－14 m+2×2 m人行道，主梁结构为装配式预应力混凝土简支板梁，下部结构为扩大基础，片石混凝土重力式桥台，钢筋混凝土柱式桥墩.下部桥台结构中，桥台为斜交，高均为10 m，台帽断面尺寸为90 cm×30 cm.前墙斜长2 372 cm，顶厚130 cm，底厚454 cm，侧墙不等长，其中钝角处外侧长500 cm，锐角处外侧长1 582 cm.台身及基础采用15号片石混凝土(设计片石标号不低于25号，掺量不多于混凝土结构体积25%).

1.2 破坏形态

该桥竣工后，次年投入使用，6年后发现两侧桥台台身及侧墙出现不同程度裂缝，尤以一侧桥台台身前墙竖向裂缝为重，竖向贯通且裂缝宽度较大，上宽下窄.裂缝宽度在1 cm左右，裂缝沿墙高有局部产生破损.上缘距长侧墙外侧4.52 m，下缘距长侧墙外侧5.57 m.侧墙存在一条斜向裂缝，宽度在1 mm左右.上缘距前墙外侧2.05 m，下缘距前墙外侧10.05 m交与边坡上.

1.3 破坏原因初探

《规范》［公路砖石及混凝土桥涵设计规范(JTJ022－85)［s］］规定，当U型桥台(重力式桥台)两侧墙宽度不小于统一水平截面前墙的0.4倍时，可按整体截面验算截面强度，当桥台截面满足该条规定时，台内填土所产生的土压力对桥台影响不大，可以按整体结构验算其抗力，抗滑和抗倾稳定性，视台内填土为桥台自重的一部分，勿需验算由此产生的土压力对侧墙和前墙的影响.

对于此桥台，取任意截面进行截面尺寸验算，以台身底面为例，侧墙的宽度为3.84 m，前墙截面宽度为21.64 m，3.84 m＜21.64 m×0.4=8.656 m，显然该桥台的截面尺寸偏小，已不能按整体截面验算截面强度.而且随着填土高度的增加，引起的土压力会很大，因此应计入该土压力对整个桥台受力的影响.

由于受到前墙与侧墙两个方向的水平压力之合力，其交汇处为锐角时应力增大，当桥台截面尺寸偏小，抵抗能力不足时，极易在交汇处开裂，这与该桥台开裂位置是一致的.

2 利用有限元软件进行原因分析

有限元法作为一种非常实用有效的数值计算方法广泛应用于航天、机械、土木工程等工程领域［4］.本文利用大型通用有限元软件ANSYS对该桥台进行了模拟分析.

2.1 建模及前处理

根据设计图纸，以米为单位建立桥台几何模型图.参数设定:台身以及基础采用15号片石混凝土，利用SOLID 65单元(ANSYS里专门面向混凝土，岩土材料的单元)，其密度为2 300 kg/m3，弹性模量E=4.2e109，泊松比为0.167.

台身有限元网格划分按映射网格划分，便于在台身上施加恒载以及其他载荷;由于基础形状复杂，有限元网格按自由网格划分，台身与基础之间交界面的节点完全分离，不存在重合关系，利用临近区两个界面之间自由度约束方程，就能够达到相互耦合的效果(如图1所示).

2.2 ANSYS计算结果

考虑到初期土体未压实，对基础底面施加全约束，得第一主应力，第三主应力云图，如图2、图3所示.最大拉应力出现在前墙和长侧墙交汇处，其值为0.71 MPa，最大压应力出现在长侧墙的角隅处，为2.47 MPa.

图1 模型及网格划分

图2 第一主应力云图(主拉应力)

图3 第三主应力云图(主压应力)

3 桥台开裂原因的确定

桥台实际施工及使用过程中，一般重力式桥台，在台内填土和行车荷载的作用下，前墙和侧墙交汇处容易出现裂缝.对于此桥台，其开裂原因如下:

(1)桥台不满足《规范》关于桥台截面尺寸的规定，台后填土随着高度的增加会产生很大的土压力，原设计明确指出桥台后为加筋土挡墙路基设计，而经过勘察发现，台后为一般填土.因此，不能有效地减少台后填土所引起的土压力，桥台将承受较大的土压力作用;

(2)桥台的结构和一般桥台有所差别，结构的前墙和侧墙并非相互垂直，前墙和右侧墙交角60°，前墙和左侧墙交角120°，在考虑土压力作用的情况下，前墙和右侧墙的交汇处有明显的应力集中现象;

(3)根据有限元分析可见，最大拉应力出现在前墙和右侧墙交汇台身高度的2/3处，其值接近0.71 MPa，超过了台身材料0.60 MPa的抗弯拉强度，因此在前墙和右侧墙的交汇处容易出现裂缝;

(4)裂缝出现后首先会向截面宽度小的台身上部扩展，当上部裂缝前后贯通后，台身仍承受较大的台后土压力，对裂缝有张拉趋势，继而裂缝延前墙外侧纵向继续扩展，直至上下贯穿.

4 加固措施

针对桥台开裂的原因，在保证桥梁正常使用的前提下，依据中国工程建设标准化协会制定的《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》，本文提出采用碳纤维(CFRP)加固补强法对桥台进行加固，即沿桥台前墙粘贴两条碳纤维布.

4.1 采用碳纤维加固补强法的原因

目前，对钢筋混凝土结构加固补强的传统方法主要有:粘钢法、喷射混凝土和体外预应力法.以上方法均各有缺点，如自重大，易腐蚀等.碳纤维加固作为一种新兴技术，国外于20世纪80年代开始应用.我国从90年代后期着手研究，截至目前，该技术已经比较成熟，随着纤维造价的不断降低，碳纤维加固技术已经成为加固旧结构的主要手段.

碳纤维单向布具有高强度、高弹性模量和耐久性好等优点.

4.2 结果对比及可行性分析

本文借助ANSYS软件，对开裂桥台进行了模拟分析见图4，然后对粘贴碳纤维布的桥台进行模拟分析见图5，将二者裂缝部位部分节点的主拉应力计算结果进行对比，见表1.

图4 桥台开裂第一主应力图

图5 粘贴CFRP后桥台第一主应力图

从以上分析可以看出，粘贴CFRP后比开裂桥台的对应节点主拉应力值最多减少50%以上，桥台结构的力学性能、整体性以及稳定性得到进一步的提高.

表1 部分节点主拉应力计算结果对比

5 结论

本文针对斜交重力式桥台的开裂进行了构造与有限元分析，提出应根据桥台实际充分考虑台内填土土压力对桥台的影响，并对一具体桥台进行了有限元分析，计算结果与实际桥台开裂吻合较好，说明在设计桥台尤其是宽大桥台时，必须考虑台内填土对桥台的不利影响，并提出采用碳纤维加固桥台的方法.经有限元分析，证明了该方法的有效性和实用性，为今后的旧桥台加固提供了一种方法和借鉴.

［1］周水兴，胡 娟，张 敏.重力式桥台开裂的机理分析［J］.重庆交通学院学报，2005，24(4):9－12.

［2］江明生.高速公路上中小桥台开裂成因及防治［J］.公路与汽运，2005(3):124－125.

［3］康志民.浅谈重力式高台的施工阶段验算和开裂病害防治措施［J］.福建建设科技，2005(5):32－33.

［4］王元汉，李丽娟，李银平.有限元法基础与程序设计［M］.广州:华南理工大学出版社，2001:25－37.

［5］碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程［S］.中国工程建设标准化协会，2000.