重力式橋臺開裂原因的有限元分析與加固措施*

田 偉

(吉林建筑工程學院土木工程學院，長春 130118)

0 引言

重力式橋臺是橋梁下部結構中常見的一種結構型式，利用其自身重量來平衡外力保持穩(wěn)定.隨著高等級公路的建設，相繼出現了許多總體尺寸大的重力式橋臺［1］.

目前，高速公路上中、小橋臺普遍存在混凝土開裂問題.從裂縫形狀看，大部分是豎直方向，也有些是斜向、水平向;裂縫有1條或多條，有的多達十幾條.豎直裂縫大多位于橋臺臺身的中下部，也有部分裂縫沿臺高豎向貫通，裂縫寬度一般在0.1 mm～0.6 mm，普遍存在于寬度較大的橋臺中［2］.

從經濟上考慮，公路工程中一般只使用3 m～6 m高的重力式橋臺.但是，在砂石料供應方便的地區(qū)，經過受力計算和可靠度并滿足要求后，也可以采用15 m～20 m高的重力式橋臺［3］.

1 橋臺破壞原因初探

1.1 工程概況

某公鐵立交橋全長52.86 m，設計孔跨2 m×16 m，斜交角約為60度，橋梁全寬為凈－14 m+2×2 m人行道，主梁結構為裝配式預應力混凝土簡支板梁，下部結構為擴大基礎，片石混凝土重力式橋臺，鋼筋混凝土柱式橋墩.下部橋臺結構中，橋臺為斜交，高均為10 m，臺帽斷面尺寸為90 cm×30 cm.前墻斜長2 372 cm，頂厚130 cm，底厚454 cm，側墻不等長，其中鈍角處外側長500 cm，銳角處外側長1 582 cm.臺身及基礎采用15號片石混凝土(設計片石標號不低于25號，摻量不多于混凝土結構體積25%).

1.2 破壞形態(tài)

該橋竣工后，次年投入使用，6年后發(fā)現兩側橋臺臺身及側墻出現不同程度裂縫，尤以一側橋臺臺身前墻豎向裂縫為重，豎向貫通且裂縫寬度較大，上寬下窄.裂縫寬度在1 cm左右，裂縫沿墻高有局部產生破損.上緣距長側墻外側4.52 m，下緣距長側墻外側5.57 m.側墻存在一條斜向裂縫，寬度在1 mm左右.上緣距前墻外側2.05 m，下緣距前墻外側10.05 m交與邊坡上.

1.3 破壞原因初探

《規(guī)范》［公路磚石及混凝土橋涵設計規(guī)范(JTJ022－85)［s］］規(guī)定，當U型橋臺(重力式橋臺)兩側墻寬度不小于統(tǒng)一水平截面前墻的0.4倍時，可按整體截面驗算截面強度，當橋臺截面滿足該條規(guī)定時，臺內填土所產生的土壓力對橋臺影響不大，可以按整體結構驗算其抗力，抗滑和抗傾穩(wěn)定性，視臺內填土為橋臺自重的一部分，勿需驗算由此產生的土壓力對側墻和前墻的影響.

對于此橋臺，取任意截面進行截面尺寸驗算，以臺身底面為例，側墻的寬度為3.84 m，前墻截面寬度為21.64 m，3.84 m＜21.64 m×0.4=8.656 m，顯然該橋臺的截面尺寸偏小，已不能按整體截面驗算截面強度.而且隨著填土高度的增加，引起的土壓力會很大，因此應計入該土壓力對整個橋臺受力的影響.

由于受到前墻與側墻兩個方向的水平壓力之合力，其交匯處為銳角時應力增大，當橋臺截面尺寸偏小，抵抗能力不足時，極易在交匯處開裂，這與該橋臺開裂位置是一致的.

2 利用有限元軟件進行原因分析

有限元法作為一種非常實用有效的數值計算方法廣泛應用于航天、機械、土木工程等工程領域［4］.本文利用大型通用有限元軟件ANSYS對該橋臺進行了模擬分析.

2.1 建模及前處理

根據設計圖紙，以米為單位建立橋臺幾何模型圖.參數設定:臺身以及基礎采用15號片石混凝土，利用SOLID 65單元(ANSYS里專門面向混凝土，巖土材料的單元)，其密度為2 300 kg/m3，彈性模量E=4.2e109，泊松比為0.167.

臺身有限元網格劃分按映射網格劃分，便于在臺身上施加恒載以及其他載荷;由于基礎形狀復雜，有限元網格按自由網格劃分，臺身與基礎之間交界面的節(jié)點完全分離，不存在重合關系，利用臨近區(qū)兩個界面之間自由度約束方程，就能夠達到相互耦合的效果(如圖1所示).

2.2 ANSYS計算結果

考慮到初期土體未壓實，對基礎底面施加全約束，得第一主應力，第三主應力云圖，如圖2、圖3所示.最大拉應力出現在前墻和長側墻交匯處，其值為0.71 MPa，最大壓應力出現在長側墻的角隅處，為2.47 MPa.

圖1 模型及網格劃分

圖2 第一主應力云圖(主拉應力)

圖3 第三主應力云圖(主壓應力)

3 橋臺開裂原因的確定

橋臺實際施工及使用過程中，一般重力式橋臺，在臺內填土和行車荷載的作用下，前墻和側墻交匯處容易出現裂縫.對于此橋臺，其開裂原因如下:

(1)橋臺不滿足《規(guī)范》關于橋臺截面尺寸的規(guī)定，臺后填土隨著高度的增加會產生很大的土壓力，原設計明確指出橋臺后為加筋土擋墻路基設計，而經過勘察發(fā)現，臺后為一般填土.因此，不能有效地減少臺后填土所引起的土壓力，橋臺將承受較大的土壓力作用;

(2)橋臺的結構和一般橋臺有所差別，結構的前墻和側墻并非相互垂直，前墻和右側墻交角60°，前墻和左側墻交角120°，在考慮土壓力作用的情況下，前墻和右側墻的交匯處有明顯的應力集中現象;

(3)根據有限元分析可見，最大拉應力出現在前墻和右側墻交匯臺身高度的2/3處，其值接近0.71 MPa，超過了臺身材料0.60 MPa的抗彎拉強度，因此在前墻和右側墻的交匯處容易出現裂縫;

(4)裂縫出現后首先會向截面寬度小的臺身上部擴展，當上部裂縫前后貫通后，臺身仍承受較大的臺后土壓力，對裂縫有張拉趨勢，繼而裂縫延前墻外側縱向繼續(xù)擴展，直至上下貫穿.

4 加固措施

針對橋臺開裂的原因，在保證橋梁正常使用的前提下，依據中國工程建設標準化協會制定的《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規(guī)程》，本文提出采用碳纖維(CFRP)加固補強法對橋臺進行加固，即沿橋臺前墻粘貼兩條碳纖維布.

4.1 采用碳纖維加固補強法的原因

目前，對鋼筋混凝土結構加固補強的傳統(tǒng)方法主要有:粘鋼法、噴射混凝土和體外預應力法.以上方法均各有缺點，如自重大，易腐蝕等.碳纖維加固作為一種新興技術，國外于20世紀80年代開始應用.我國從90年代后期著手研究，截至目前，該技術已經比較成熟，隨著纖維造價的不斷降低，碳纖維加固技術已經成為加固舊結構的主要手段.

碳纖維單向布具有高強度、高彈性模量和耐久性好等優(yōu)點.

4.2 結果對比及可行性分析

本文借助ANSYS軟件，對開裂橋臺進行了模擬分析見圖4，然后對粘貼碳纖維布的橋臺進行模擬分析見圖5，將二者裂縫部位部分節(jié)點的主拉應力計算結果進行對比，見表1.

圖4 橋臺開裂第一主應力圖

圖5 粘貼CFRP后橋臺第一主應力圖

從以上分析可以看出，粘貼CFRP后比開裂橋臺的對應節(jié)點主拉應力值最多減少50%以上，橋臺結構的力學性能、整體性以及穩(wěn)定性得到進一步的提高.

表1 部分節(jié)點主拉應力計算結果對比

5 結論

本文針對斜交重力式橋臺的開裂進行了構造與有限元分析，提出應根據橋臺實際充分考慮臺內填土土壓力對橋臺的影響，并對一具體橋臺進行了有限元分析，計算結果與實際橋臺開裂吻合較好，說明在設計橋臺尤其是寬大橋臺時，必須考慮臺內填土對橋臺的不利影響，并提出采用碳纖維加固橋臺的方法.經有限元分析，證明了該方法的有效性和實用性，為今后的舊橋臺加固提供了一種方法和借鑒.

［1］周水興，胡 娟，張 敏.重力式橋臺開裂的機理分析［J］.重慶交通學院學報，2005，24(4):9－12.

［2］江明生.高速公路上中小橋臺開裂成因及防治［J］.公路與汽運，2005(3):124－125.

［3］康志民.淺談重力式高臺的施工階段驗算和開裂病害防治措施［J］.福建建設科技，2005(5):32－33.

［4］王元漢，李麗娟，李銀平.有限元法基礎與程序設計［M］.廣州:華南理工大學出版社，2001:25－37.

［5］碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規(guī)程［S］.中國工程建設標準化協會，2000.