實心薄壁高墩豎向開裂原因及耐久性分析

諶樂強，諶潔君

（1.江西中煤建設(shè)集團有限公司，江西南昌 330001；2.江西省青年科學(xué)家（井岡之星）培養(yǎng)對象計劃資助江西中煤勘察設(shè)計研究總院有限公司，江西南昌 330001）

實心薄壁高墩豎向開裂原因及耐久性分析

諶樂強1，諶潔君2

（1.江西中煤建設(shè)集團有限公司，江西南昌 330001；2.江西省青年科學(xué)家（井岡之星）培養(yǎng)對象計劃資助江西中煤勘察設(shè)計研究總院有限公司，江西南昌 330001）

為分析某山區(qū)二級公路高架橋?qū)嵭谋”诟叨赵谑褂萌舾赡旰笾饾u產(chǎn)生豎向裂縫的原因，從其結(jié)構(gòu)受力特點及砼耐久性特征進行理論分析，初步確定豎向開裂是由溫度荷載和砼碳化綜合作用的結(jié)果；采用MIDAS／FEA軟件對該工程建立有限元模型進行結(jié)構(gòu)計算，計算結(jié)果印證了理論分析的合理性；為分析實心薄壁高墩開裂對該工程耐久性的影響程度，對開裂前后狀態(tài)進行耐久性能演變對比分析，結(jié)果表明豎向裂縫的存在對高墩耐久性的影響在1%以內(nèi)，修補現(xiàn)有裂縫即可滿足結(jié)構(gòu)耐久性要求。

橋梁；薄壁實心高墩；開裂；耐久性

為在山區(qū)修建符合路線設(shè)計總體要求的高等級公路，近年來中國修建了大量以薄壁高墩作為下部結(jié)構(gòu)的長大橋梁。以截面形式劃分，薄壁高墩有實心和空心兩類。目前，國內(nèi)外已有許多關(guān)于空心薄壁高墩結(jié)構(gòu)受力特性的研究成果，但對斷面截面形式單一、施工更為簡便、在公路橋梁中應(yīng)用更為廣泛的實心薄壁高墩的研究較少。

目前，部分實心薄壁高墩在使用若干年后于墩身中、上段產(chǎn)生豎向裂縫，且裂縫寬度呈逐年增寬趨勢。為分析裂縫成因，該文針對某山區(qū)二級公路高架橋鋼筋砼實心薄壁墩，先進行理論分析，再采用有限元軟件MIDAS／FEA建立有限元模型進行結(jié)構(gòu)計算驗證理論分析結(jié)果的正確性，并對開裂及未開裂實心薄壁高墩作耐久性演變分析。

1 工程概況

某山區(qū)二級公路高架橋建成于2006年，為8× 40 m+12×25 m+8×40 m先簡支后連續(xù)小箱梁橋，全長987.16 m，東西走向，設(shè)計荷載等級為汽車-20級、掛車-80，橋面寬度為9 m行車道+2× 0.5 m防撞護欄。每跨上部結(jié)構(gòu)采用3片小箱梁，下部結(jié)構(gòu)為鋼筋砼實心薄壁墩配鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、雙柱式墩身配鉆孔灌注樁基礎(chǔ)接蓋梁及樁柱式橋臺接蓋梁。實心薄壁高墩最高44 m。

該橋?qū)嵭谋”诟叨战鼛啄昶毡槌霈F(xiàn)豎向開裂病害，且裂縫寬度呈逐年增寬趨勢。目前，高墩表面豎向裂縫位于墩身東面及西面，寬度0.15～0.47 mm。

2 實心薄壁高墩開裂原因理論分析

主要從超載、地基不均勻沉降、附加荷載產(chǎn)生的二次力、砼耐久性四方面逐一排查該橋?qū)嵭谋”诟叨肇Q向裂縫的成因。

2.1 以超載為假定原因作分析

該工程上部結(jié)構(gòu)為先簡支后連續(xù)小箱梁，橋墩墩身受到的荷載包括恒載和活載產(chǎn)生的豎向力及制動力、上部結(jié)構(gòu)傳遞的溫度水平力、風(fēng)力的作用，屬于偏心受壓構(gòu)件。該類構(gòu)件的結(jié)構(gòu)受力性病害包括受壓區(qū)砼壓碎或受拉區(qū)砼水平向開裂兩類。墩身裂縫走向為豎向，可見與墩身承受的上述水平力無關(guān)。另外，大部分墩身豎向裂縫并未延伸至蓋梁，少數(shù)裂縫延伸至蓋梁但并未貫穿蓋梁全高，判定開裂現(xiàn)象與上部結(jié)構(gòu)不均勻受力無關(guān)。

2.2 以地基不均勻沉降為假定原因作分析

地基不均勻沉降對墩身產(chǎn)生的影響將最先體現(xiàn)在離地基最近的墩身下段，這類裂縫的特征是自下向上發(fā)展，且呈下寬上窄趨勢。這與該工程豎向裂縫的發(fā)展趨勢不符，基本可排除該原因。

2.3 以附加荷載產(chǎn)生二次力為假定原因作分析

以該橋建成年代判斷，設(shè)計時采用的主要規(guī)范是JTJ 021-89《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》和JTJ 023-85《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》，該批規(guī)范沒有針對高墩的受力特點提出設(shè)計要求，即使是現(xiàn)行的2004版橋梁設(shè)計規(guī)范亦沒有提出要求。對于普通鋼筋砼構(gòu)件，最有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)

產(chǎn)生二次力的附加荷載是溫度荷載。《橋梁設(shè)計手冊》指出“空心高墩在溫度作用下能產(chǎn)生相當(dāng)大的溫度應(yīng)力，某些情況下，可與恒載、活載產(chǎn)生的應(yīng)力屬同一個數(shù)量級”，但并沒有提到溫度荷載對實心高墩的影響。下面從溫度荷載的種類及各種溫度荷載對實心高墩的影響進行分析。

自然環(huán)境條件變化產(chǎn)生的溫度荷載分為日照溫度荷載、年溫溫度荷載和驟然降溫溫度荷載。年溫溫度荷載是指年溫變化使橋面系發(fā)生伸縮變形，在橋墩上產(chǎn)生次應(yīng)力及年溫度變化使橋墩自身產(chǎn)生次應(yīng)力。該工程上部結(jié)構(gòu)為先簡支后連續(xù)小箱梁，小箱梁與下部結(jié)構(gòu)間設(shè)置板式或四氟板式橡膠支座，這類支座可通過自身滑移或剪切變形消耗上部結(jié)構(gòu)伸縮變形，墩身不產(chǎn)生或產(chǎn)生很小的次應(yīng)力。

驟然降溫溫度荷載是指寒流引起墩身溫度變化而產(chǎn)生次應(yīng)力。由于上部結(jié)構(gòu)對墩頂位移的限制，通常視墩頂處邊界為鉸接，屬一次超靜定結(jié)構(gòu)，分析驟然降溫將使橋墩產(chǎn)生一定的次應(yīng)力。

日照溫度荷載對墩身受力的影響主要體現(xiàn)在：日照升溫時墩身外表面溫度高，砼因存在內(nèi)部孔隙致其熱傳導(dǎo)性差，墩身內(nèi)部溫度低，而外表面砼受熱膨脹，內(nèi)部溫度低的砼限制了表面砼變形，最終產(chǎn)生溫度次應(yīng)力；同理，日照降溫時，由于日落等因素致使結(jié)構(gòu)外表面溫度迅速下降，而結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度幾乎沒有什么變化，形成內(nèi)高外低的溫度狀態(tài)，溫度次應(yīng)力再次產(chǎn)生?？梢耘卸?，對墩身結(jié)構(gòu)應(yīng)力，尤其是墩身表面結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響最大的是日照溫度荷載。

2.4 以砼耐久性為假定原因作分析

影響公路橋梁砼結(jié)構(gòu)耐久性的主要作用有碳化作用、氯鹽侵蝕作用、凍融循環(huán)作用、硫酸鹽腐蝕作用和磨蝕作用。該工程地處溫?zé)岬貐^(qū)無工業(yè)污染環(huán)境中，故僅對碳化作用和磨蝕作用作分析。

從墩身砼外表面較光潔、未出現(xiàn)粗骨料外露的情況來看，因風(fēng)作用導(dǎo)致的砼磨蝕現(xiàn)象基本不會對結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生影響。

現(xiàn)有研究成果表明，砼碳化降低了砼的p H值，破壞鋼筋表面鈍化膜，導(dǎo)致鋼筋銹蝕。文獻［4］表明砼碳化程度愈強烈，砼強度愈高，脆性愈大，這種脆性使砼強度一到達，極限變形也到達，幾乎沒有塑性。文獻［5］通過試驗驗證了這一點，并且指出碳化能減小砼吸水率、提高抗?jié)B性。另外，文獻［6］調(diào)查結(jié)果表明，受風(fēng)壓影響面碳化深度是不受風(fēng)壓影響面碳化深度的1.15倍。該工程橋墩是使用七八年后才發(fā)生豎向開裂，裂縫的產(chǎn)生與砼碳化作用有著必然聯(lián)系。

2.5 理論分析結(jié)論

綜上所述，該橋在使用一段時間后，墩身表面砼因碳化作用致使抗裂性能降低，加上溫度荷載作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)次應(yīng)力，導(dǎo)致實心薄壁高墩開裂。

近年來還有不少針對結(jié)構(gòu)開裂后砼碳化作用發(fā)展趨勢的研究：文獻［6］指出拉應(yīng)力將加快砼碳化速度，壓應(yīng)力可減緩砼碳化速度；如果砼構(gòu)件的裂縫寬度超過0.4 mm，裂縫處的碳化深度可能加大，與砼角區(qū)發(fā)生的二維碳化情況類似。文獻［7］認為雙向碳化侵蝕和拉應(yīng)力狀態(tài)作用耦合下受拉角部砼的碳化深度大于2倍無應(yīng)力狀態(tài)下單向碳化深度?？梢姡叨臻_裂后裂縫周邊砼將繼續(xù)碳化，沿裂縫深度和裂縫寬度兩個方向發(fā)展。沿深度方向，未開裂的部分砼碳化后，其抗裂性降低，在溫度荷載重復(fù)作用下裂縫深度繼續(xù)發(fā)展，直至鋼筋處并致其銹蝕。沿寬度方向，砼將沿水平向發(fā)生類似于砼角區(qū)的二維碳化，碳化至最近的豎向受力鋼筋處，該鋼筋鈍化膜逐漸破壞繼而銹蝕、周邊砼開裂并脫落、鋼筋繼續(xù)銹蝕并最終失效，降低了高墩結(jié)構(gòu)的耐久性。

3 有限元計算分析高墩開裂原因

3.1 建立有限元模型

采用MIDAS／FEA建立該工程薄壁實心高墩三維有限元模型（見圖1）。

圖1 薄壁實心高墩三維有限元模型

這次計算主要是為了分析墩身開裂原因，且樁基礎(chǔ)為嵌巖端承樁，故僅對承臺及以上橋墩墩身和蓋梁建立模型。模型采用六面體劃分網(wǎng)格，承臺下樁基礎(chǔ)范圍邊界條件設(shè)置為固結(jié)；墩頂有來自梁體的約束，按簡支墩考慮，將墩頂支座處邊界條件設(shè)置為鉸接。

3.2 施加荷載

上部結(jié)構(gòu)傳遞至蓋梁頂面的荷載包括汽車荷載產(chǎn)生的豎向力、制動力、溫度力，這些荷載均依據(jù)橋梁規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定確定數(shù)值?！稑蛄涸O(shè)計手冊》指出：向陽面溫度梯度可按指數(shù)函數(shù)考慮，隨砼深度迅速減少，高墩日照溫度可按向陽面20℃考慮。根據(jù)文獻［2］，對于壁板式柔性墩，日照引起墩身截面控制溫度分布為ty=T0e-ay。TB 1002.3-2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》取該曲線作為箱梁沿板厚的溫差曲線。計算模型中將日照引起的溫度梯度以節(jié)點溫度形式施加在墩身節(jié)點上。

寒流引起的溫度變化不如年溫差大，計算時取JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中溫?zé)岬貐^(qū)中年最高溫34℃和年最低溫-3℃，該橋澆筑橋墩砼時溫度為20～33℃，從而確定年升溫14℃、年降溫36℃。

3.3 定義施工階段

為分析徐變對墩身應(yīng)力的影響，依據(jù)橋涵規(guī)范定義砼徐變特性，并定義施工階段為澆筑橋墩砼、架立主梁、通車運營10年。

3.4 計算結(jié)果分析

該橋橋墩墩身存在豎向開裂病害，取裂縫最寬處（距離承臺頂面25.6 m）西側(cè)面水平向應(yīng)力分析其開裂原因。由各類荷載產(chǎn)生的水平向應(yīng)力見表1，從中可見日照升溫是導(dǎo)致墩身表面豎向開裂的主要原因。

表1 墩身裂縫最寬處西側(cè)面水平向應(yīng)力

為分析日照升溫沿墩身厚度方向的影響范圍，取該斷面處應(yīng)力等值線及應(yīng)力線圖（見圖2）作分析。從圖2可見，日照升溫對墩身表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力為2.740 MPa，且在約0.13 m范圍內(nèi)迅速發(fā)展為壓應(yīng)力0.755 MPa。C30砼的抗拉強度標(biāo)準值為2.01 MPa，說明日照升溫是各類荷載中導(dǎo)致墩身開裂的主要原因。

圖2 日照升溫作用下應(yīng)力等值線和應(yīng)力線圖（單位：kPa）

4 薄壁實心高墩耐久性分析

為分析豎向裂縫對結(jié)構(gòu)耐久性的影響，對開裂及未開裂薄壁實心高墩作耐久性能演變分析。由前面的分析可知裂縫處碳化發(fā)展與結(jié)構(gòu)角區(qū)類似，故將未開裂狀態(tài)薄壁實心高墩視作墻體、裂縫處作為角區(qū)進行耐久性分析。

4.1 鋼筋銹蝕耐久性分析

現(xiàn)場實測砼未開裂處碳化深度平均值為6.5 mm，超聲-回彈綜合法實測砼強度標(biāo)準值為32.6 MPa。取開裂最嚴重的16號墩作為耐久性評定對象。該橋墩東、西側(cè)各存在2條豎向裂縫，其中東側(cè)2條裂縫（縫1、縫2）寬度及距最近豎向鋼筋的距離分別為0.26 mm、6 cm和0.47 mm、5.5 cm，西側(cè)2條裂縫（縫3、縫4）分別為0.32 mm、7 cm和0.56 mm、3.0 cm。

依據(jù)CECS 220：2007《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準》，作鋼筋銹蝕耐久性評定需計算鋼筋開始銹蝕的時間、砼保護層銹脹開裂時間和砼出現(xiàn)可接受最大外觀損傷的時間。計算結(jié)果見表2。

表216 號墩耐久性分析計算結(jié)果年

4.2 截面損失分析

依據(jù)文獻［10］所述方法，分別對開裂及未開裂狀態(tài)下高墩及砼截面和鋼筋截面損失進行分析。

由于無法準確得到墩身裂縫出現(xiàn)的時間，分析時偏安全地假定裂縫在成橋狀態(tài)時就已出現(xiàn)。16號墩墩身截面積為9.64 m2，僅4條裂縫對砼截面損失產(chǎn)生的影響很小，故作砼截面損失分析時不考慮裂縫對截面積的影響。由于墩身為偏心受壓構(gòu)件，取受拉側(cè)計算鋼筋截面損失，并綜合考慮已有裂縫對鋼筋銹蝕的影響。計算結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 開裂狀態(tài)下鋼筋和砼截面面積損失率

圖4 未開裂狀態(tài)下鋼筋和砼截面面積損失率

由圖3、圖4可以看出：由于未計及裂縫對砼截面損失的影響，橋墩建成69.3年時砼截面開始損失，到建成128.4年時損失率為4.90%，到153.1年時達到6.95%。開裂狀態(tài)下，橋墩建成21.3年時鋼筋開裂銹蝕，到建成69.3年時鋼筋截面損失率為0.69%，到128.4年時損失率達7.27%，到153.1年時損失率達10.99%；未開裂狀態(tài)下，橋墩建成69.3年時鋼筋截面才開始損失，到128.4和153.1年時鋼筋截面損失率分別為6.04%、9.70%。可見，裂縫將使鋼筋截面開始損失的時間由建成69.3年提前至21.3年，到153.1年時鋼筋截面損失率較未開裂狀態(tài)下高1.29%。

4.3 截面承載力分析

按JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》偏心受壓構(gòu)件計算公式進行承載能力分析，若鋼筋截面損失率達5%以上，則據(jù)CECS 220：2007《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準》附錄D的要求進行鋼筋強度折減。計算截面取裂縫最寬處（距離墩底25.6 m），計算工況取未開裂狀態(tài)和開裂狀態(tài)兩種，并計算因開裂導(dǎo)致橋墩墩身承載力損失率。各耐久性分析時刻墩身承載力損失率計算結(jié)果見表3。

表3 墩身裂縫最寬處承載力損失值計算結(jié)果

從表3可見薄壁實心高墩現(xiàn)有裂縫對耐久性的影響在1%以內(nèi)，對裂縫作適當(dāng)修補后可滿足結(jié)構(gòu)耐久性要求。

5 結(jié)論

（1）實心薄壁高墩在使用若干年后，于墩身上、中段產(chǎn)生的豎向裂縫主要是由日照溫度和砼碳化兩者綜合作用所產(chǎn)生的。

（2）日照升溫使墩身表面產(chǎn)生的水平向拉應(yīng)力高達2.74 MPa，該值甚至超過砼設(shè)計抗拉標(biāo)準強度。在距離墩身表面0.13 m范圍內(nèi)，砼水平向應(yīng)力迅速發(fā)展為0.755 MPa，之后逐漸趨于零。

（3）碳化作用導(dǎo)致砼脆性增大，砼拉應(yīng)力一旦達到極限值將因塑性喪失而立刻開裂；日照升溫作用下墩身表面砼超過碳化后砼的抗拉強度限值而產(chǎn)生豎向裂縫；開裂處砼與結(jié)構(gòu)角區(qū)相類似，其二維碳化作用將加速裂縫周邊砼變脆，繼而裂縫向深度發(fā)展直至鋼筋處。

（4）該橋開裂最為嚴重的是16號墩。該橋墩結(jié)構(gòu)開裂后與開裂前相比，在墩身建成153.1年后其承載能力損失率僅為0.84%，僅需對墩身裂縫作適當(dāng)修補或修復(fù)，即可滿足結(jié)構(gòu)耐久性要求。

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