某斜拉桥主塔下部墩柱裂缝分析及处治建议

焦恒见 罗文林 糜怀谷

（1、江苏和则合建设工程有限公司，江苏 无锡214000 2、南京博瑞吉工程技术有限公司，江苏 南京210000 3、苏州绕城高速公路有限公司，江苏 苏州215000）

1 概况

某斜拉桥全宽36.5m，跨布置为（70+105）m，上部结构为预应力混凝土现浇单箱三室箱梁，下部结构为桩柱式桥墩，钻孔灌注桩基础。主塔桥下主墩出现多条竖向、斜向裂缝，如图1～3 所示。

图1 桥梁结构立面示意图（单位：m）

图2 桥下主塔主跨侧竖、斜向裂缝

图3 桥下主塔锚跨侧竖、斜向裂缝

2 主桥整体及主塔局部分析

2.1 整体模型计算荷载及参数

2.1.1 材料参数。主梁和索塔混凝土等级C50，斜拉索采用φ7mm 高强度平行钢丝束，标准抗拉强度fpk为1670MPa，预应力钢绞线标准抗拉强度fpk为1860Mpa。

2.1.2 荷载。（1）一期恒载、二期恒载。（2）索塔基础不均匀沉降按2cm计，辅助墩、过渡墩基础不均匀沉降按1.5cm计。（3）汽车荷载等级：公路－I 级。（4）体系整体升降温：体系升温按17℃考虑，体系降温按-20.6℃考虑。（5）梁截面梯度温差：混凝土梁按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）计算。

2.1.3 荷载组合。计算中考虑的荷载组合包括：组合Ⅰ：恒载+基础沉降+汽车荷载。组合Ⅱ-1：恒载+基础部均匀沉降+汽车荷载+整体升温+截面升温梯度。组合Ⅱ-2：恒载+基础部均匀沉降+汽车荷载+整体降温+截面降温梯度。全桥总体模型分析采用Midas/Civil 2019 程序，按设计高程进行结构离散。主梁和主塔采用三维梁单元，斜拉索采用桁架单元。

2.2 索塔墩实体有限元分析

为分析病害产生的原因，采用MIDAS/FEA实体有限元软件，建立如下实体有限元模型（图4）。从Midas/Civil 全桥总体模型分析结果中提取斜拉桥在运营阶段的索力施加于主塔实体有限元模型中的斜拉索锚块处。根据病害特点，本次重点关注的区域为桥下主塔墩柱开裂病害部位。

图4 桥塔实体网格模型图

从上图5～7 分析结果来看，忽略局部网格畸变和应力集中区域，锚跨侧墩和主跨侧墩主拉应力超过C50 混凝土设计值（1.8MPa）的区域与裂缝发生部位较为吻合，主墩拉应力在2.2MPa～5.6MPa，实体模型中，未计入普通钢筋的作用，故拉应力绝对值相对较高。斜拉桥零号块（墩梁固结处）长度21.6m，桥梁宽度36.2m，主塔传递下来的荷载，通过塔梁固结处梁体实心段（横梁）横向分配给墩身两侧空心室墩，两侧空心壁较薄，刚度小，变形大。其未充分考虑空心室墩与实心主墩的变形协调，未配置与主拉应力方向一致的斜筋，自身抗裂性不足。

图5 主跨侧墩P1 主应力等值面图

2.3 桥塔辅助墩开裂影响分析

2.3.1 空心墩和实体墩分离分析结果。为分析主塔空心墩开裂后的影响，将主墩空心部分和实心部分分离，研究该种工况下主塔下部墩柱受力和变形情况。分析可知，恒载标准值组合作用下，其最大主拉应力为2.52 MPa，如图9 所示；空心墩与主墩竖向变形量相差1mm 左右，两者变形不协调，主墩空心部分和实心部分存在受拉趋势，导致主墩出现斜裂缝。

2.3.2 忽略空心墩分析结果。为分析主塔空心墩开裂后的影响，计算模型中将主墩空心部分去掉，即假定空心部分完全失效，研究该种工况下主塔受力情况。采用MIDAS/FEA实体有限元软件，建立如下网格模型图10 所示。图中应力拉为+，压为-。

从图11 中得知，除箱梁与墩身交界处应力集中外，箱梁绝大部分梁体主拉应力为负，即梁体绝大部分不出现拉应力。

从上图12～15 分析结果来看，主塔空心墩开裂后，即使主墩空心完全失效，主墩最大主拉应力为1.67MPa，未超高C50 混凝土抗拉设计值，由此说明主墩空心区域开裂对主塔受力影响不大。

图6 锚跨侧墩P1 主应力等值面图

图7 锚跨侧墩Y-Y（横向）应力图

图8 竖向变形云图（mm）

图9 主墩P1 主应力等值面图（MPa）

图10 主墩无实心部分实体有限元模型

3 主要病害分析及处治建议

图11 箱梁0#块主拉应力（P1）图

图12 锚跨侧实心墩身主拉应力（P1）图

图13 主跨侧实心墩身主拉应力（P1）图

图14 实心墩轴中心面主拉应力（P1）图

图15 实心墩轴中心面主压应力（P3）图

斜拉桥主塔在恒载作用下主要承受轴向压力作用，根据主塔和桥墩结构受力特点可知，主塔承担了较多的竖向荷载，可能其下部承台中心区域的桩基础沉降比外围桩基础沉降稍大，由此导致桥梁主墩出现斜向受剪、劈裂裂缝。通过对比有空心墩模型和无空心墩模型计算结果可知：

3.1 主塔空心墩的主要作用是提高斜拉桥箱梁的横向稳定性、抗扭能力，以及增强主塔承台基础的传力均匀性。在不考虑其具体作用的前提下，去除实心墩区域后，箱体对桥墩的约束变小，主墩内侧表面拉应力值较低，小于1MPa。也即空心墩开裂不会影响结构其余部分构件的安全。

3.2 因空心墩与实体主墩分配的竖向荷载不同，也即实体墩承担了较大比例的竖向荷载，导致其竖向变形比空心墩多1mm 左右，因此在两者交接的范围内出现了斜裂缝。

因此，对于空心墩部分裂缝，建议暂且不作加固处理，仅作裂缝封闭、压力灌缝和跟踪观测处理。