花瓶型桥墩裂缝分析及维修加固技术

刘国金

(辽宁省交通规划设计院，辽宁沈阳 110166)

花瓶型桥墩裂缝分析及维修加固技术

刘国金

(辽宁省交通规划设计院，辽宁沈阳 110166)

针对花瓶型桥墩出现的裂缝，通过桥梁规范计算公式和大型通用有限元软件的三维实体仿真建模，对混凝土花瓶型桥墩受力及裂缝成因进行了分析研究，并提出了合理的维修加固技术，以保证花瓶型桥墩结构受力及耐久性安全。

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1 工程概况

某互通式立交内的匝道桥(C匝道、D匝道、E匝道)均采用预应力混凝土现浇连续箱梁，B匝道桥采用钢筋混凝土现浇连续箱梁。其中B，C，D，E匝道桥下部结构采用花瓶型桥墩，钻孔灌注桩基础。花瓶型桥墩墩身底缘宽2.2 m，顶缘宽3.74 m，墩厚1.2 m。互通立交花瓶型桥墩桥梁统计表见表1。

表1 互通立交花瓶型桥墩桥梁统计表

典型花瓶型桥墩立面图如图1所示，桥墩典型横断面图如图2，图3所示。

图1 花瓶型桥墩立面示意图（单位：cm，比例1∶100）

图2 A—A截面示意图（单位：cm）

2 存在问题及分析

交工检测验收发现:花瓶型桥墩沿墩顶中心位置出现宽0.4 mm、深1.5 cm、长40 cm的U形裂缝。初步分析其原因，裂缝所处位置为花瓶型墩顶两支座间的混凝土受拉区域，根据拉—压模型(Strut-tie Model)理论，其主要原因是桥墩两支座间距较大，在两边两竖向支座力作用下，墩身斜向混凝土的支撑反力在两支座间桥墩混凝土中产生较大的水平拉应力导致，如设计中没有在该受拉区域配置足够的抗拉钢筋，就有可能使该区域配置的受拉钢筋拉应力过大而使混凝土裂缝宽度不能满足设计规范要求。

图3 B—B截面示意图（单位：cm）

3 理论计算分析

为了分析该花瓶型桥墩混凝土开裂区域裂缝形成机理，通过以下三方面内容进行验算分析:1)强度验算，采用桥梁规范中的“撑杆—系杆”体系对花瓶墩的强度进行验算;2)墩顶应力分析:采用ANSYS有限元实体模型分析墩顶范围内的应力状态;3)裂缝验算:采用桥梁规范中的裂缝计算公式对墩顶裂缝宽度进行计算。

3.1 强度验算

依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》8.5.3条“撑杆—系杆”体系进行桥墩验算，计算中所取各中墩支反力数值如表2所示。

表2 桥梁支反力汇总

撑杆、系杆模型如图4所示，验算表见表3。

表3 撑杆、系杆验算表

3.2 墩顶应力分析

采用ANSYS有限元建立实体模型分析，其中混凝土利用单元Solid65进行模拟，C40材料弹性模量取为3.25×104MPa，泊松比取为0.2，结构几何模型及有限元计算模型如图5，图6所示。

图4 桥墩撑杆、系杆模型

图5 结构几何模型

图6 结构有限元模型

分别选取结构在恒载、活载max支反力的作用下进行计算分析，其中在恒载作用下结构受力如图7，图8所示。

图7 桥墩横向应力（单位：kPa）

图8 桥墩竖向应力（单位：kPa）

各匝道花瓶型桥墩墩顶中心处横桥向拉应力如表4所示。

表4 各匝道桥墩墩顶横向正应力

3.3 裂缝计算

依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》6.4.3:

其中，C1为钢筋表面形状系数，对于HRB335带肋钢筋C1= 1．0。C2为长期效应系数，偏于安全取C2=1．5;C3为与构件受力性质有关的系数，对于钢筋混凝土受拉构件C3=1．2;ρ为纵向受拉钢筋配筋率;σss为钢筋应力，对于受拉构件，钢筋应力按撑杆、系杆进行计算，具体钢筋应力及裂缝宽度计算过程参见表5。

通过上述计算分析，得出如下结论:按照规范撑杆系杆体系进行计算，以上桥墩均能满足承载力要求。B匝道桥墩裂缝宽度较小，能够满足桥梁结构耐久性需求;C匝道桥、D匝道桥、E匝道桥桥墩裂缝较大，结构耐久性较差。

表5 花瓶型桥墩钢筋应力、裂缝宽度计算

4 维修加固方案

4.1 封闭裂缝

对于花瓶型桥墩裂缝宽度不小于0.10 mm，采用灌注环氧树脂胶进行处理;对于花瓶型桥墩裂缝宽度小于0.10 mm，应进行涂胶封闭处理。

4.2 加筋补强

凿除原花瓶型桥墩墩顶110 cm高度范围内的箍筋保护层厚度，对应箍筋位置焊接8根或10根直径为16 mm HRB400钢筋进行补强。

4.3 张拉预应力钢筋补强

花瓶型桥墩墩顶110 cm高度范围内外包C40耐久性混凝土，张拉4根直径为25mm的精轧螺纹钢筋。花瓶型桥墩加固构造见图9。

图9 花瓶型桥墩加固构造图

5 结语

本文针对花瓶型桥墩出现的裂缝，分别采用桥梁规范计算公式和大型三维有限元通用程序ANSYS实体仿真建模，对花瓶型桥墩出现的裂缝进行详细的受力分析，并提出具体的维修加固技术，从而保证了花瓶型桥墩结构的安全性，为以后同类型桥墩的维修加固设计提供参考依据。

［1］ JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［2］ JTG/T J22—2008，公路桥梁加固设计规范［S］.

［3］ 谌润水，胡钊芳，帅长斌.公路旧桥加固技术与实例［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］ 杨方渊，牛 犇.桥梁维修与加固［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［5］ 郝文化.ANSYS土木工程应用实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2005.

The analysis on vase type pier crack analysis and maintenance reinforcement technology

Liu Guojin

(Liaoning Traffic Planning and Design Institute，Shenyang 110166，China)

In view of vase type piers cracks，through the three-dimensional entity emulation modeling of bridge specification calculation formula and large general finite element software，analyzed and researched the concrete type vase pier stress and crack causes，and put forward reasonable maintenance technology，to ensure the vase type pier structure and durability safety.

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U445

A

1009-6825(2015)29-0170-02

2015-08-07

刘国金(1978-)，男，硕士，高级工程师