钢筋混凝土T形桥墩盖梁开裂若干问题的探讨

武立新，李松，唐英

(1.广西柳州市政设计研究院，广西柳州545004;2.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031; 3.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都611731)

钢筋混凝土T形桥墩盖梁开裂若干问题的探讨

武立新1，李松2，唐英3

(1.广西柳州市政设计研究院，广西柳州545004;2.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031; 3.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都611731)

针对钢筋混凝土T形桥墩盖梁开裂问题，以某城市大型立交桥中钢筋混凝土T形桥墩的检测试验结果为基础，采用三维仿真数值模型，分析了钢筋混凝土T形桥墩盖梁的开裂机理。研究结果表明:钢筋混凝土T形桥墩的盖梁开裂问题，一般是由于其自身内部拉应力超出混凝土材料的抗拉强度允许值造成的，属于结构性裂缝，设计中应予以重视。这类桥墩盖梁的内部应力情况复杂，采用通常的空间杆系模型难以掌握其内部应力状态，设计中应采用三维仿真数值模型分析。此外，从盖梁开裂机理的角度，探讨了相应的设计对策。

T形桥墩 盖梁 开裂

钢筋混凝土T形桥墩(即独柱式桥墩)具有结构简洁、桥下空间占用少、后期维护方便、经济性好等特点，是现代城市桥梁建设中最为常用的一种桥墩形式。然而，在实际施工和营运过程中，相当数量的钢筋混凝土T形桥墩出现了不同程度的开裂现象［1-6］。开裂位置分别出现在墩顶、墩身和墩底等不同部位。桥墩开裂已成为影响桥梁结构整体安全的不可忽视的因素之一。

从结构分析的角度讲，钢筋混凝土T形桥墩的受力机理较为复杂。现行设计规范对这类桥墩的开裂问题，尤其是盖梁(墩顶)的开裂问题，尚缺乏令人满意的指导性建议或规定。在理论研究方面，对于采用T形桥墩的桥梁结构，其研究内容主要集中在上部预应力(钢筋)混凝土梁体的受力分析和所采用的结构形式、以及连续独柱墩桥梁的横向失稳和抗倾覆安全评价与加固等方面［7］。而对于钢筋混凝土T形桥墩墩顶本身的开裂及其相关问题的研究尚不多见。为确保桥梁结构的安全，进一步提高设计质量，本文以某大型城市立交桥中的钢筋混凝土T形桥墩的检测试验结果为基础，通过采用系统的、有针对性的3D数值仿真分析，探讨钢筋混凝土T形桥墩墩顶的受力机理及其开裂和相关设计问题。

1 工程背景

某城市大型全互通式立交桥由1座主线桥和8座匝道桥组成。该桥上部结构采用预应力混凝土连续箱梁体系。设计荷载等级为城—A级。道路等级为城市主干道Ⅰ级。主线设计时速为50 km/h，匝道设计时速为30 km/h。最小平曲线半径35 m，最大纵坡5.3%。主梁采用C40混凝土，桥墩盖梁、墩身、承台等采用C30混凝土。下部结构的桥墩采用T形桥墩，桥墩基础为桩基础，支座为板式橡胶支座，如图1所示。

图1 T形桥墩构造(单位:cm)

检测发现，该桥有7个桥墩的墩顶盖梁上出现了不同程度的竖向裂缝，裂缝宽度为0.1～0.3 mm，裂缝长度为5～30 cm。本文以位于曲线匝道桥的5号桥墩为研究对象。该墩墩身高度13 m，裂缝分布情况如图2所示。匝道桥跨径组合为:(17.5+20+2×22+ 20)m+(20+2×22+17.5)m。

图2 桥墩盖梁开裂情况(单位:cm)

2 数值仿真模型的建立

考虑到常用的杆系单元难以获取T形桥墩盖梁各部分应力的准确分布情况，本文采用实体单元模拟T形桥墩各部分的力学行为。模型边界条件按墩底固结考虑。为使数值模型尽可能与实际结构相同，提高仿真度，本模型各主体部分的尺度与桥墩实际几何尺度一致。图3所示即为该T形桥墩的三维仿真模型。

本次计算中考虑的荷载主要有:桥墩在其自重、上部梁体重量以及汽车活载等作用下的最不利组合荷载。由于该桥墩位于曲线上，桥梁中轴线两侧支座所承受的反力不同，分别为1 718 kN/侧，2 144 kN/侧。

上部结构经支座传递至盖梁的荷载，模型中采用等效均布荷载模拟(如图3所示)。从本文的研究需要出发，本次分析中未考虑混凝土的收缩、徐变等时变参数的影响效应。

图3 桥墩3D数值模型

3 盖梁开裂机理分析

在由恒载和汽车活载的最不利荷载组合作用下，该T形桥墩中最大主拉应力分布形态如图4所示。桥墩中横桥向和顺桥向的应力分布情况分别如图5、图6所示。从图4—图6中可以看出，该T形桥墩中的最大拉应力出现在盖梁中、上部位。最大拉应力值如表1所示。

图4 最大主拉应力分布(单位:kPa)

图5 横桥向桥墩应力分布(单位:kPa)

图6 顺桥向桥墩应力分布(单位:kPa)

表1 盖梁内最大拉应力数值

表中数据显示:该T形桥墩盖梁中顺桥向虽然存在拉应力区，但其最大拉应力仅为1.139 MPa，小于C30混凝土强度设计值，因而在桥墩盖梁的这一侧不会出现裂缝。这与实际检测结果一致。

而在横桥向，盖梁中最大拉应力达4.683 MPa，超出C30混凝土的强度标准值一倍多，是C30混凝土强度设计值的3倍多。此外，对比图2、图5可以看出，桥墩盖梁的实际开裂区域与仿真分析结果中显示的拉应力区域一致。由此可见:图2中显示的该T形桥墩盖梁的竖向裂缝属结构性裂缝，设计中必须予以高度重视。

4 T形桥墩盖梁设计对策

相关检测试验和仿真分析结果显示，钢筋混凝土T形桥墩的盖梁开裂问题，往往都是由于其自身内部拉应力超出混凝土材料的抗拉强度允许值造成的。为有效减小这类盖梁中的拉应力，综合上述仿真分析结果，设计中可综合采用如下措施:

1)采用仿真数值模型分析出T形桥墩盖梁内部的应力大小及其分布状态。并依据分析结果采用高等级混凝土或配置足够数量的钢筋。

2)对于拉应力较大的盖梁，可在盖梁内设置一定数量的预应力筋。

3)增加盖梁上的支座数量或调整盖梁上的支座位置，从而改善T形桥墩盖梁的受力状态，减小盖梁中的最大拉应力。

4)改变盖梁形状，增加承托尺寸，设计成花瓶形状。

5)对于单车道匝道可采用点支撑和墩梁固结相结合来代替双支座，以改善受力情况。

5 结语

由于T形桥墩盖梁内部应力分布复杂，采用通常的杆系结构有限元分析方法已难以满足设计的实际需要。在桥梁设计技术规范尚未对这类问题制定出明确、简洁的规定之前，采用数值仿真分析掌握盖梁中的应力分布状态和大小，从而采取针对性设计措施是现阶段解决这类问题彻底、有效的方法。

针对钢筋混凝土T形桥墩盖梁的开裂问题，本文采用三维仿真数值模型，结合某城市桥梁的检测试验成果，分析探讨了钢筋混凝土T形桥墩盖梁的开裂机理。以此为基础，提出了一些有益的设计建议。可供相关设计、施工以及同类研究参考。

［1］项贻强，李毅，王晖.独柱T型桥墩裂缝成因分析及加固方法研究［J］.中国市政工程，2005，18(6):18-19.

［2］李新乐，窦慧娟.钢筋混凝土桥墩顶帽竖向开裂原因分析及加固对策［J］.铁道建筑，2007(8):16-19.

［3］李林杰，柯在田，张勇，等.某独柱高墩连续弯梁桥病害评估与处治［J］.铁道建筑，2013(7):23-25.

［4］林晓娟.独柱墩桥梁常见问题及原因分析［J］.工程与建设，2013，27(2):198-200.

［5］华昊.神朔线燕家塔特大桥桥墩病害检测分析及加固方案研究［J］.铁道建筑，2013(10):31-33.

［6］张小斌，赵琪.双悬臂混凝土盖梁开裂机理分析与处置对策［J］.公路，2014(4):104-106.

［7］项贻强，陈雪奖，刘成熹，等.独柱式桥墩裂缝宽度计算方法及试验研究［J］.中国公路学报，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

(责任审编孟庆伶)

2015-01-10;

2015-03-03

武立新(1966—)，男，河南南阳人，高级工程师，硕士。