大跨径连续刚构桥过渡墩环向裂缝成因分析

曾珺 黄建初

摘要：文章以某跨径组合为85 m+160 m+85 m的大跨径连续刚构桥为工程背景，分析桥梁过渡墩病害概况，通过有限元计算分析，从过渡墩偏心矩设计合理性、滑板支座滑动功能受限、梁端卡死等方面分析过渡墩环向裂缝产生原因，并从桥梁管养方面分析过渡墩病害产生的直接影响因素。研究表明：过渡墩主桥与引桥的偏心矩设置合理，非桥墩环向裂缝产生的影响因素；梁端卡死，在整体升温作用下，主梁纵向变形受约束，对桥墩产生较大水平反力，是导致桥墩开裂的主要原因；滑板橡胶支座滑动功能受限时，在整体升温作用下，桥墩下半段产生拉应力超过混凝土抗拉强度，是导致桥墩开裂的影响因素之一；支座滑动功能受限、建筑垃圾堆积、伸缩缝伸缩功能受限等病害缺陷，以及桥梁管养不及时、不到位是造成桥墩开裂的重要原因。

关键词：大跨径连续刚构；过渡墩；环向裂缝；成因分析

中图分类号：U448.21+5      文献标识码：A

文章编号：1673-4074（2024）04-0180-03

0 引言

连续刚构是混凝土梁桥中跨越能力最强的结构形式，具有梁体连续、无须设伸缩缝、行车平顺，不设支座、不需要转换体系、施工方便，造价低、运营养护成本低、耐久性好等特点［1］，被广泛应用于大跨度的公路和市政桥梁建造中。连续刚构桥的过渡墩结构受力较为复杂，同时承受主桥和引桥传递的荷载，为了避免桥墩盖梁两侧不均匀受力对桥墩产生不利影响，盖梁两侧支座需要根据主桥和引桥承担的反力设置合理的支座偏心矩，同时在过渡墩桥面需要设置合适的伸缩缝。若设计不合理，或者桥梁运营养护管理不到位，过渡墩在外力作用下会产生环向裂缝等病害。本文结合工程实例，从过渡墩结构设计、桥梁养护管理等方面分析过渡墩产生环向裂缝的原因，为桥梁病害处治提供参考。

1 工程概况

某跨江特大桥采用左右双幅分离式结构，跨径组合为（4×30+85+160+85+30）m，桥梁全长500.8 m，横断面布置：1.5 m（人行道）+0.5 m（防撞墙）+11 m（行车道）+0.5 m（防撞墙）+0.5 m（中央分隔带）+0.5 m（防撞墙）+11 m（行车道）+0.5 m（防撞墙）+1.5 m（人行道）=27.5 m。主桥上部构造采用跨径（85+160+85）m预应力混凝土连续刚构，每幅桥主梁为单箱单室的箱形断面。引桥上部结构采用预应力混凝土T梁，第一联先简支后结构连续，第三联先简支后桥面连续。下部结构主桥桥墩（5号、6号桥墩）采用双薄壁墩，过渡墩（4号、7号桥墩）采用圆形双柱墩；引桥桥墩（1号、2号、3号桥墩）采用圆形双柱墩，桥台采用肋板式桥台。全桥基础均采用钻孔灌注桩。桥面铺装采用沥青混凝土，4号、7号桥墩采用SSFB-240伸缩缝，0号台采用SSFB-80伸缩缝；8号台采用桥面连续。桥梁设计荷载等级为公路-Ⅰ级，双向四车道。桥型布置见图1。

过渡墩左右幅均为双柱式墩，墩柱直径均为1.8 m，长度均为6.32 m，基础按嵌岩桩设计，桩长均为25 m，单幅桥4根桩基。盖梁宽2.8 m，主桥支座中心线到桥墩中心线距离为0.65 m，引桥支座中心线到桥墩中心线距离为1.0 m。主桥侧采用GYZF4 600×117滑板圆板式橡胶支座，引桥侧支座采用普通圆板式橡胶支座。

2 过渡墩病害概况

该桥通车运营14年后，检测发现7号过渡墩左右幅的4根墩柱（7-1#～7-4#墩柱）均存在不同程度的环向裂缝，每根墩柱存在7～13道裂缝。4根墩柱的环向裂缝基本分布在同一高度，靠近承台位置，距盖梁底面2.6～6.0 m，均分布在主跨侧，裂缝长度占墩柱截面的1/3～1/2，伴有网状裂缝，最大裂缝宽度在0.18～0.28 mm，未超过《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）［2］规定限值（0.4 mm），墩柱环向裂缝病害概况见表1。

3 过渡墩环向裂缝成因分析

3.1 墩身产生环向裂缝影响因素

7号墩结构受力较为复杂，同时承受主桥和引桥传递的荷载，桥墩环向裂缝主要是由于主桥、引桥两侧的不平衡弯矩引起。根据现场检测结果，7号过渡墩的4个墩柱裂缝均分布在主桥侧，因此可推断主桥侧弯矩大于引桥侧弯矩。该弯矩主要包括桥墩两侧竖向支座反力产生的偏心矩和水平支座反力对承台顶面位置产生的弯矩两大部分。

3.1.1 竖向支座反力偏心矩

竖向支座反力主要包括上部结构自重、桥面铺装、防撞墙等恒载和车辆活载，主桥侧和引桥侧产生的竖向支座反力是不均衡的，设计阶段通过设置两侧支座不同偏心矩，使竖向支座反力对墩身产生的弯矩达到相对平衡状况，控制在合理范围之内，若活载在设计荷载范围之内，不会造成墩身开裂。

3.1.2 水平支座反力引起的弯矩

7号过渡墩桥面设置了SSFB-240伸缩缝，主桥侧盖梁设置滑板支座，在伸缩缝、滑板支座功能正常的情况下，主桥传递给过渡墩盖梁的水平反力一般不会太大。当伸缩缝的伸缩功能受限，造成梁端抵死或滑动支座的滑动功能失效，主桥梁体在温度升高情况下产生的梁体纵向变形不能自由释放，受到约束的变形将对过渡墩产生较大的水平反力。支座到承台顶面距离为7.32 m，水平支座反力对该截面的力臂较大，在水平支座反力作用下，产生较大弯矩作用，导致墩身开裂。从7号过渡墩的4个墩柱裂缝分布情况看，基本符合这一成因。

3.2 有限元计算模型

为了分析支座反力对桥墩的不利影响，采用Midas Civil有限元软件建立主桥、引桥整体杆系有限元模型（见图2、图3）和桥墩杆系有限元模型（见图4），通过整体杆系有限元模型分别计算不同情况下过渡墩支座反力，将不同情况下支座反力施加于桥墩杆系有限元模型，分析桥墩结构响应。

桥墩杆系有限元模型边界条件按不同部位分别施加不同约束，桩基底部嵌岩边界按固定约束，嵌岩以上部分桩基按土弹簧边界约束［3］，土弹簧刚度模量按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）［4］计算，间距取1 m，见表2。

3.3 计算工况及参数取值

基于前文影响因素分析，分别计算以下几种情况的桥墩结构响应：

工况一：恒载作用下，分析竖向支座反力对桥墩结构的影响。

工况二：最不利情况下，即主桥侧支座反力仅考虑恒载，引桥侧支座反力考虑活载和恒载共同作用，按标准组合，分析竖向支座反力对桥墩结构的影响。

工况三：在整体升温作用下，模拟主桥梁端纵向变形受约束，对过渡墩产生的水平反作用力，计算其对桥墩结构的影响。

相关计算参数取值如下：

（1）汽车荷载：公路-Ⅰ级。

（2）整体升温：施工合龙温度为20 ℃，按升温14 ℃计算。

（3）考虑到主桥梁端未能完全被约束，纵向变形按其50%取值。

（4）滑板橡胶支座滑动功能受限时，按普通橡胶支座情况计算。

3.4 结构受力影响因素分析

3.4.1 工况一

根据桥梁整体计算结果，主桥侧恒载作用下，竖向支座反力F1=6 730 kN，支座偏心矩e1=0.65 m。引桥侧标准荷载组合下，竖向支座反力F2=4 009.5 kN，支座偏心矩e2=1.0 m。竖向支座反力作用下，墩身在主桥侧受压。将以上计算参数施加于桥墩杆系有限元模型进行计算，根据计算结果可知，桥墩在主桥侧受压，应力云图见下页图5。

3.4.2 工况二

将引桥标准组合竖向支座反力与主桥恒载竖向支座反力施加于桥墩杆系有限元模型进行计算，根据计算结果可知，桥墩在主桥侧受压，应力云图见图6。

3.4.3 工况三

3.4.3.1 整体升温反力计算（梁端卡死）

将梁端施加纵向约束模拟主桥梁端变形受约束，混凝土线膨胀系数按其材料特性的50%取值。根据计算，在整体升温作用下，主桥梁端产生4 524.9 kN的水平反力。在释放梁端约束、整体升温作用下，梁端产生的纵向变形为2.1 cm，与梁端不完全卡死情况下存在一定变形的实际情况较为吻合。

3.4.3.2 整体升温支座反力计算（滑板支座滑动功能受限）

当滑板橡胶支座滑动功能受限时，按普通橡胶支座考虑，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）［5］第4.3.13条，支座摩擦系数取0.2，结合主桥恒载支座反力可计算得到支座摩阻力为1 392.4 kN，小于梁端卡死情况下的摩阻力，整体升温产生的水平反力4 524.9 kN。因此以支座摩阻力计算滑板支座滑动功能受限的结构响应。

3.4.3.3 梁端卡死桥墩应力分析

将整体升温产生的水平支座反力施加桥墩杆系有限元模型进行计算，根据计算结果可知，桥墩在主桥侧受拉，其中桥墩下半段拉应力在17.13～30.82 MPa，远超过混凝土抗拉强度值1.39 MPa，是桥墩开裂的主要原因，应力云图见图7～8。

3.4.3.4 滑板支座滑动功能受限桥墩应力分析

将支座摩阻力施加桥墩杆系有限元模型进行计算，根据计算结果可知，桥墩在主桥侧受拉，其中桥墩下半段拉应力在5.65～9.48 MPa，超过混凝土抗拉强度值1.39 MPa，是桥墩开裂的影响因素之一，应力云图见图9～10。

综合以上计算分析可知，桥梁过渡段盖梁支座偏心矩设置合理，在设计荷载作用下，桥墩在主桥侧未产生拉应力。当过渡段产生主桥侧活动支座功能受限、伸缩缝卡死等情况下，桥梁在整体升温作用时，主桥的纵向变形受约束，对桥墩产生较大的水平支座反力，桥墩承台及桩基位于地表土以下，对桥墩形成嵌固作用，约束桥墩变形传递，桥墩粗大、长度短、刚度较大，从而导致桥墩开裂。

3.5 桥梁管养因素分析

根据结构受力影响因素分析可知，桥墩开裂的主要因素是在整体升温作用下，主桥梁端纵向变形受约束，梁体不能自由伸缩，对桥墩产生较大的水平反力。导致主桥梁端卡死的主要因素如下：

（1）为了适应主桥侧梁体纵向变形，主桥侧设置了滑板橡胶支座，当出现四氟滑板损坏、钢垫板锈蚀等情况时，若不及时更换四氟滑板、修复滑板支座的滑动功能，梁体纵向变形将会受到一定约束，产生较大水平支座反力，导致桥墩开裂。

（2）桥梁施工过程遗留在盖梁顶面的建筑垃圾是造成梁端卡死的重要因素，桥梁运营养护阶段，若不及时清理建筑垃圾，也会对桥墩造成不利影响。

（3）伸缩缝的设置是为了适应梁体纵向自由变形，当伸缩缝的伸缩功能受限时，就会造成梁端卡死，如不及时更换或修复伸缩缝，恢复其伸缩功能，将会对桥墩造成不利影响。

4 结语

根据过渡墩环向裂缝成因分析，可得出以下结论：

（1）过渡墩主桥与引桥的偏心矩设置合理，在设计荷载作用下，桥墩在主桥侧处于受压状态，不是桥墩环向裂缝产生的影响因素。

（2）若梁端卡死，在整体升温作用下，主梁纵向变形受约束，对桥墩产生4 524.9 kN水平反力，桥墩在主桥侧均受拉，最大拉应力达到30.82 MPa，是导致桥墩开裂的主要原因。

（3）当滑板橡胶支座滑动功能受限时，在整体升温作用下，产生1 392.4 kN支座摩阻力，桥墩下半段产生5.65～9.48 MPa拉应力，超过混凝土抗拉强度值1.39 MPa，是导致桥墩开裂的影响因素之一。

（4）支座滑动功能受限、建筑垃圾堆积、伸缩缝伸缩功能受限等病害缺陷是造成桥墩开裂的直接原因，桥梁管养不及时、不到位是造成桥墩开裂的重要原因。

参考文献

［1］周军生，楼庄鸿.大跨径预应力混凝土连续刚构桥的现状与发展趋势［J］.中国公路学报，2000，13（1）：31.

［2］JTG/T J21-2011，公路桥梁承载能力检测评定规程［S］.

［3］高能祥，方 健.m法和有限元法对桥梁桩基的计算探讨［J］.城市道桥与防洪，2021，267（7）：272-275.

［4］JTG 3363-2019，公路桥涵地基与基础设计规范［S］.

［5］JTG D60-2015，公路桥涵设计通用规范［S］.

作者简介：曾 珺（1988—），硕士，工程师，主要从事公路工程咨询工作。