西二環(huán)合淮路立交橋花瓶墩豎向裂縫成因分析

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

0 前言

獨(dú)柱式花瓶墩因其造型美觀在橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用。由于其墩頂部位受力較為復(fù)雜，若設(shè)計(jì)方法不當(dāng)或未按設(shè)計(jì)施工可能會(huì)導(dǎo)致在使用過程中墩頂出現(xiàn)受力裂縫，嚴(yán)重情況下則會(huì)影響到整個(gè)橋梁的使用。本文以西二環(huán)合淮路立交橋出現(xiàn)裂縫病害的花瓶墩為研究對(duì)象，借助軟件Midas civil及Midas FEA分析了墩頂?shù)牧芽p成因。

1 工程概況

西二環(huán)合淮路立交橋位于合肥市西二環(huán)與北二環(huán)交接路段，為兩座分離式立交橋。上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆整體式箱梁，橋墩主要結(jié)構(gòu)形式為花瓶墩。其中南北主線橋?yàn)?3跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋和6跨普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋，跨徑布置為2×(25+30+25)+2×(3×20)+3×30+4×30=490m，橋面寬度為11m；東南主線橋?yàn)?6跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，跨徑布置為5×30+4×30+（30+35+30+30）+5×30+（30+35+30+30）+4×30=790m，橋面寬度為13m。設(shè)計(jì)荷載：汽車-城A級(jí)；設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)；墩身采用C40混凝土，頂部水平受力鋼筋豎向間距為10cm且頂部設(shè)置3層鋼筋網(wǎng)。連續(xù)墩的一般構(gòu)造如圖1所示。

圖1 連續(xù)墩一般構(gòu)造圖（單位：cm）

該橋于2016年建成通車，根據(jù)近年檢測(cè)報(bào)告，大部分橋墩墩頂均存在豎向裂縫，部分裂縫延伸至頂面；東南主線橋及南北主線橋墩頂豎向裂縫最大寬度分別為0.54mm和0.80mm，超過《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范 》（JTG 3362-2018） 規(guī) 定 限 值0.20mm。墩頂?shù)湫土芽p形式如圖2所示。

圖2 墩墩頂?shù)湫土芽p形式示意圖

2 計(jì)算分析

2.1 墩頂豎向力計(jì)算

根據(jù)竣工圖，通過軟件Midas civil建立主跨為4×30m的等截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁有限元桿系模型。計(jì)算荷載包括結(jié)構(gòu)自重、二期鋪裝、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變、汽車荷載、溫度梯度、整體升、降溫和支座沉降等。得出承載能力極限狀態(tài)基本組合下墩頂最大豎向力設(shè)計(jì)值為8926kN，正常使用極限狀態(tài)頻遇組合下墩頂最大豎向力設(shè)計(jì)值為4344kN。

2.2 墩頂橫向抗拉承載力驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362-2018）第8.4.7條：對(duì)于布置雙支座的獨(dú)柱墩的墩帽（頂部），可采用拉壓桿模型按下列規(guī)定計(jì)算頂部橫向受拉部位的抗拉承載力：

γT≤fA

T=0.45F（2s-b'/h）

式中：

γ為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

T為墩頂?shù)臋M向拉桿內(nèi)力設(shè)計(jì)值；

F為墩頂豎向力設(shè)計(jì)值，按照基本組合取用；

s為雙支座的中心距；

h為墩頂橫向變寬段區(qū)域的高度，當(dāng)h＞b時(shí)取h=b，b為墩帽頂部橫向?qū)挾龋?/p>

b'為距離墩頂高度為h的位置處，墩帽或墩身的頂橫向?qū)挾龋?/p>

f為普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

A為拉桿中的普通鋼筋面積，按蓋梁頂部2h/9高度范圍內(nèi)的鋼筋計(jì)算。

圖3 拉壓桿模型計(jì)算圖示

竣工圖可知：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。

計(jì) 算 得 出，γT=4727kN＜fA=12410kN，說明墩頂橫向抗拉承載力驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

2.3 墩身應(yīng)力驗(yàn)算

通過軟件Midas FEA建立橋墩實(shí)體單元有限元模型。混凝土彈性模量為3.25×10MPa，密度為 2.5×10kN/m，泊松比為0.2。由上部結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的正常使用極限狀態(tài)下恒載和活載支座反力組合設(shè)計(jì)值為4344kN。有限元計(jì)算模型如圖4所示，墩身應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖如圖5、圖6所示。

根據(jù)計(jì)算云圖可知：

圖4 花瓶墩計(jì)算模型

圖5 墩身主拉應(yīng)力超限部位

圖6 墩身橫向拉應(yīng)力超限部位

①拉應(yīng)力超限部位集中分布在墩頂中間到支座墊石內(nèi)邊緣范圍內(nèi)，拉應(yīng)力方向基本垂直于實(shí)測(cè)裂縫方向（圖2）；

②墩身主拉應(yīng)力集中分布在2.1MPa左右，最大為4.43MPa，橫向拉應(yīng)力主要分布在2.08MPa左右，最大為4.4MPa；

③最大主拉應(yīng)力和最大橫向拉應(yīng)力均超過了C40混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.65MPa。

3 裂縫成因分析

根據(jù)模型的受力分析結(jié)果，墩頂中心處設(shè)置凹槽，存在截面突變情況，應(yīng)力集中較為明顯；墩頂橫向最大拉應(yīng)力達(dá)到4.4MPa，超過混凝土抗拉極限強(qiáng)度，導(dǎo)致墩頂中心處出現(xiàn)裂縫。對(duì)于支座墊石下的豎向裂縫，應(yīng)力分析并沒有超限，可能與局部受壓有關(guān)。

4 結(jié)論

①花瓶墩墩頂中心處的豎向裂縫，與花瓶墩兩側(cè)支座反力有關(guān)；在兩側(cè)支座集中力作用下，墩頂中心范圍內(nèi)為受拉區(qū)，當(dāng)彎拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)豎向裂縫；且墩頂中心處開凹槽應(yīng)力集中明顯，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免。

②花瓶墩墊石底部出現(xiàn)裂縫，可能是由于墩頂處混凝土不密實(shí)，支座鋼板變形等導(dǎo)致局部壓應(yīng)力超限所致。