西二环合淮路立交桥花瓶墩竖向裂缝成因分析

（安徽理工大学，安徽 淮南 232001）

0 前言

独柱式花瓶墩因其造型美观在桥梁工程中得到了广泛应用。由于其墩顶部位受力较为复杂，若设计方法不当或未按设计施工可能会导致在使用过程中墩顶出现受力裂缝，严重情况下则会影响到整个桥梁的使用。本文以西二环合淮路立交桥出现裂缝病害的花瓶墩为研究对象，借助软件Midas civil及Midas FEA分析了墩顶的裂缝成因。

1 工程概况

西二环合淮路立交桥位于合肥市西二环与北二环交接路段，为两座分离式立交桥。上部结构采用现浇整体式箱梁，桥墩主要结构形式为花瓶墩。其中南北主线桥为13跨预应力混凝土连续箱梁桥和6跨普通钢筋混凝土连续箱梁桥，跨径布置为2×(25+30+25)+2×(3×20)+3×30+4×30=490m，桥面宽度为11m；东南主线桥为26跨预应力混凝土连续箱梁桥，跨径布置为5×30+4×30+（30+35+30+30）+5×30+（30+35+30+30）+4×30=790m，桥面宽度为13m。设计荷载：汽车-城A级；设计安全等级：一级；墩身采用C40混凝土，顶部水平受力钢筋竖向间距为10cm且顶部设置3层钢筋网。连续墩的一般构造如图1所示。

图1 连续墩一般构造图（单位：cm）

该桥于2016年建成通车，根据近年检测报告，大部分桥墩墩顶均存在竖向裂缝，部分裂缝延伸至顶面；东南主线桥及南北主线桥墩顶竖向裂缝最大宽度分别为0.54mm和0.80mm，超过《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 》（JTG 3362-2018） 规 定 限 值0.20mm。墩顶典型裂缝形式如图2所示。

图2 墩墩顶典型裂缝形式示意图

2 计算分析

2.1 墩顶竖向力计算

根据竣工图，通过软件Midas civil建立主跨为4×30m的等截面预应力混凝土箱梁有限元杆系模型。计算荷载包括结构自重、二期铺装、预应力、收缩徐变、汽车荷载、温度梯度、整体升、降温和支座沉降等。得出承载能力极限状态基本组合下墩顶最大竖向力设计值为8926kN，正常使用极限状态频遇组合下墩顶最大竖向力设计值为4344kN。

2.2 墩顶横向抗拉承载力验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）第8.4.7条：对于布置双支座的独柱墩的墩帽（顶部），可采用拉压杆模型按下列规定计算顶部横向受拉部位的抗拉承载力：

γT≤fA

T=0.45F（2s-b'/h）

式中：

γ为结构重要性系数；

T为墩顶的横向拉杆内力设计值；

F为墩顶竖向力设计值，按照基本组合取用；

s为双支座的中心距；

h为墩顶横向变宽段区域的高度，当h＞b时取h=b，b为墩帽顶部横向宽度；

b'为距离墩顶高度为h的位置处，墩帽或墩身的顶横向宽度；

f为普通钢筋抗拉强度设计值；

A为拉杆中的普通钢筋面积，按盖梁顶部2h/9高度范围内的钢筋计算。

图3 拉压杆模型计算图示

竣工图可知：F=8926kN，s=3.7m，h=4.3m，b'=2.8，f=330MPa，A=37606mm，γ=1.1，T=0.45 ×8926×（2×3.7-2.8/4.3）=4297kN。

计 算 得 出，γT=4727kN＜fA=12410kN，说明墩顶横向抗拉承载力验算满足规范要求。

2.3 墩身应力验算

通过软件Midas FEA建立桥墩实体单元有限元模型。混凝土弹性模量为3.25×10MPa，密度为 2.5×10kN/m，泊松比为0.2。由上部结构计算得到的正常使用极限状态下恒载和活载支座反力组合设计值为4344kN。有限元计算模型如图4所示，墩身应力计算结果云图如图5、图6所示。

根据计算云图可知：

图4 花瓶墩计算模型

图5 墩身主拉应力超限部位

图6 墩身横向拉应力超限部位

①拉应力超限部位集中分布在墩顶中间到支座垫石内边缘范围内，拉应力方向基本垂直于实测裂缝方向（图2）；

②墩身主拉应力集中分布在2.1MPa左右，最大为4.43MPa，横向拉应力主要分布在2.08MPa左右，最大为4.4MPa；

③最大主拉应力和最大横向拉应力均超过了C40混凝土抗拉强度设计值1.65MPa。

3 裂缝成因分析

根据模型的受力分析结果，墩顶中心处设置凹槽，存在截面突变情况，应力集中较为明显；墩顶横向最大拉应力达到4.4MPa，超过混凝土抗拉极限强度，导致墩顶中心处出现裂缝。对于支座垫石下的竖向裂缝，应力分析并没有超限，可能与局部受压有关。

4 结论

①花瓶墩墩顶中心处的竖向裂缝，与花瓶墩两侧支座反力有关；在两侧支座集中力作用下，墩顶中心范围内为受拉区，当弯拉应力超过混凝土抗拉强度时出现竖向裂缝；且墩顶中心处开凹槽应力集中明显，设计时应避免。

②花瓶墩垫石底部出现裂缝，可能是由于墩顶处混凝土不密实，支座钢板变形等导致局部压应力超限所致。