高速鐵路橋梁支座墊石開裂成因分析及改進措施

朱修福 左明慧 張文學(xué)

（北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124）

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進和經(jīng)濟水平的高速發(fā)展，我國鐵路建設(shè)突飛猛進，目前已投入運營13.1 萬km。其中，高速鐵路以其快捷、高效、安全、舒適等特點，在現(xiàn)代社會發(fā)展中占優(yōu)勢的位置，十幾年之內(nèi)達到3 萬余km，占據(jù)世界高速鐵路里程的60%，位居世界第一［1］。然而，隨著高速鐵路不斷投入運營，橋梁病害問題日益突出，最為常見的病害包括非結(jié)構(gòu)裂縫、混凝土碳化、剝落、露筋、空洞、鋼筋銹蝕、不均勻沉降、支座破壞等，而支座墊石開裂問題尤為突出。支座墊石作為高速鐵路橋梁承載力的關(guān)鍵部位，其開裂將影響混凝土的承載力，嚴重威脅著橋梁整體使用壽命和結(jié)構(gòu)安全。

目前，橋梁支座墊石已列為橋梁基礎(chǔ)及下部構(gòu)造分部工程中單獨的分項工程，因其混凝土體積小、承受壓力大、受力集中、施工標(biāo)準要求高等特點，針對支座墊石開裂問題的研究十分重要。國內(nèi)對墊石開裂的研究大多為定性分析，汪洪加［2］通過分析橋梁支座混凝土開裂機理，并采用混凝土內(nèi)摻加膨脹劑、加強施工養(yǎng)護等措施，有效防止支座墊石混凝土開裂；鐘彬［3］則提供了頂梁、半干硬砂漿搗填的橋梁墊石病害整治方法。大多數(shù)對支座墊石開裂原因的分析只停留在墊石混凝土本身上，而忽略了橋墩與墊石之間的相互作用，橋墩與墊石所表現(xiàn)的新老混凝土差異對支座墊石的影響研究較少。因此，本文以某鐵路橋梁為工程背景，利用ANSYS有限元軟件建立橋墩加墊石新老混凝土結(jié)構(gòu)模型，分析橋墩與墊石不均勻收縮下支座墊石的應(yīng)力狀態(tài)并提出了改進措施，對實際施工過程有重要指導(dǎo)意義。

1 工程背景及建模

1.1 工程背景

以一32 m 簡支鐵路橋梁橋墩上澆筑支座墊石為工程背景展開研究。該工程在橋墩澆筑完成一段時間后澆筑頂部墊石，墊石施工結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)墊石由接觸面向上延伸出明顯裂縫，支座墊石裂縫如圖1所示。該類裂縫是由于橋墩與墊石之間的不均勻收縮而在新澆筑墊石上產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)裂縫，嚴重影響墊石的正常工作。墊石是橋墩的重要承重結(jié)構(gòu)，承受和傳遞由橋梁上部傳來的集中荷載，保證支座墊石的施工質(zhì)量、控制不均勻收縮所引起的非結(jié)構(gòu)裂縫對整個橋梁至關(guān)重要。在該工程橋墩加墊石的新老混凝土結(jié)構(gòu)中，橋墩墩身高13.5 m，墩帽高2.75 m，墩頂長為7.6 m，寬3 m；墩頂橫向布置2 塊墊石，具體尺寸為長2.4 m，寬1.2 m，高0.35 m。橋墩加墊石結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 支座墊石裂縫

圖2 橋墩加墊石結(jié)構(gòu)（尺寸：cm）

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 模型建立

根據(jù)工程實際情況，利用ANSYS有限元軟件建立橋墩加墊石實體模型進行模擬分析。橋墩和墊石均采用8節(jié)點Solid 45實體單元進行建模，不考慮橋墩和墊石之間的黏結(jié)滑移，接觸面處節(jié)點完全耦合。橋墩和墊石的混凝土線膨脹系數(shù)α均為1×10-5℃-1，泊松比為0.2，混凝土密度為2 650 kg/m3，有限元模型如圖3所示。

圖3 橋墩加墊石實體有限元模型

1.2.2 混凝土彈性模量

混凝土澆筑后其彈性模量隨時間的變化而增大最后趨于穩(wěn)定，橋墩由于成型時間較長，其彈性模量基本趨于穩(wěn)定。對于新澆筑墊石混凝土，其彈性模量隨時間不斷變化，本文采用《CEB-FIP Model Code 1990》的彈性模量計算式［4］

式中：E（τ）為齡期為τ的混凝土彈性模量；Ec為齡期為28 d 混凝土彈性模量；τ為混凝土齡期；βτ為齡期調(diào)整系數(shù)；s值取決于水泥品種，普通水泥取0.25。

文中新老混凝土模型中橋墩混凝土采用C40，其Ec取32.5 GPa。為了保證墊石混凝土強度和提前架梁的要求，將墊石混凝土提高一個等級采用C50，Ec取34.5 GPa。

1.2.3 混凝土收縮計算模型

常用的混凝土收縮表達式有雙曲線函數(shù)式、指數(shù)函數(shù)式及對數(shù)函數(shù)式，本文采用JTG D62—2012《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中混凝土收縮終值的指數(shù)函數(shù)［5-6］。混凝土收縮應(yīng)變εsh的表達式為

式中：εsh，∞為混凝土收縮終值；t為混凝土收縮時間，混凝土開始收縮時間為3 d；S(t)為指數(shù)型時間曲線函數(shù)。

新老混凝土收縮應(yīng)變曲線見圖4。

圖4 混凝土收縮應(yīng)變曲線

1.2.4 分析方法

混凝土收縮的發(fā)展與應(yīng)力歷史無關(guān)，ANSYS 中混凝土的收縮計算一般是通過“等效降溫法”模擬實現(xiàn)，混凝土的線膨脹系數(shù)為α，將混凝土收縮應(yīng)變等效換算為施加在混凝土上的溫度荷載［7-10］，其表達式為

式中：εsh(t，ts)為t時刻混凝土收縮應(yīng)變；ts為收縮開始時混凝土齡期，ts取3 d；ΔT為換算得到的當(dāng)量溫差。

2 支座墊石混凝土應(yīng)力分析

2.1 新老混凝土收縮作用

墊石與橋墩為新老混凝土結(jié)構(gòu)，由于墊石混凝土的收縮受到橋墩的約束，在接觸面處會產(chǎn)生較大的收縮次應(yīng)力，使墊石混凝土受拉產(chǎn)生裂縫，對架梁后墊石產(chǎn)生不利影響。通過有限元模擬新老混凝土收縮得到的墊石應(yīng)力云圖見圖5。

圖5 墊石收縮應(yīng)力云圖（單位：MPa）

由圖5可見：在新老混凝土收縮作用下，墊石整體基本處于受拉狀態(tài)，墊石與橋墩接觸面處拉應(yīng)力最大，收縮應(yīng)力呈現(xiàn)出四周大中間小的應(yīng)力分布，最大收縮應(yīng)力出現(xiàn)在2 塊墊石的4 個內(nèi)底角處，墊石的收縮應(yīng)力分布與實際現(xiàn)場產(chǎn)生的裂縫基本吻合。

根據(jù)橋梁與墊石組合結(jié)構(gòu)在架梁后是否考慮新老混凝土收縮作用，分別研究墊石的應(yīng)力影響。在墊石2 個支座位置處各施加2 500 kN 集中荷載，對比分析墊石在考慮新老混凝土收縮與不考慮新老混凝土收縮情況下的早期應(yīng)力，并分析墊石位置縱、橫向第一主應(yīng)力分布，架梁后墊石應(yīng)力變化曲線見圖6。

圖6 架梁后墊石應(yīng)力變化曲線

由圖6 可見：橋墩與墊石間不均勻收縮對架梁后墊石應(yīng)力有很大影響，墊石僅在支座荷載作用下所產(chǎn)生的拉應(yīng)力很小，最大拉應(yīng)力在1 MPa左右，屬于可控范圍之內(nèi)?？紤]收縮作用下，支座墊石的拉應(yīng)力明顯增大，墊石拉應(yīng)力基本由新老混凝土收縮效應(yīng)所引起，其中對墊石底面應(yīng)力的影響更為顯著，更容易產(chǎn)生裂縫。所以，改善橋墩與墊石新老混凝土結(jié)構(gòu)收縮效應(yīng)將對架梁后墊石有重要意義。

2.2 橋墩與墊石混凝土齡期差

由于橋墩與墊石并非同時澆筑，根據(jù)實際工程進度，墊石和橋墩混凝土之間往往存在齡期差，形成新老混凝土結(jié)構(gòu)。新澆筑的墊石混凝土收縮會受到已澆筑完成的橋墩混凝土約束，在墊石混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的收縮次應(yīng)力，橋墩與墊石澆筑的時間間隔不同所產(chǎn)生的新老混凝土不同齡期差對新澆筑墊石應(yīng)力有一定影響，分別對齡期差為7，15，30，60 d 時墊石混凝土收縮進行探究，墊石混凝土收縮應(yīng)力見圖7。

圖7 墊石混凝土收縮應(yīng)力曲線

不同齡期差下墊石早期的最大收縮應(yīng)力變化曲線見圖7（a）?？梢?，隨著橋墩與墊石間的齡期差增大，墊石早期最大收縮應(yīng)力也隨之增大，最后趨于穩(wěn)定。這是由于隨著齡期差的增大，底部橋墩混凝土收縮逐漸趨于穩(wěn)定到基本完成，因此對頂部墊石的約束能力逐漸增強，使墊石收縮應(yīng)力逐漸增大后趨于穩(wěn)定。墊石澆筑后28 d內(nèi)收縮應(yīng)力變化曲線見圖7（b）?？梢?，墊石混凝土收縮應(yīng)力隨齡期逐漸增大，在不同齡期差下趨勢基本一致，但在早期7 d 內(nèi)墊石混凝土由于受到橋墩收縮影響，墊石底面應(yīng)力有受壓趨勢，且齡期差越小，對墊石影響越大，墊石最終拉應(yīng)力也會越小。

2.3 墊石混凝土振搗密實

墊石混凝土收縮所產(chǎn)生的次應(yīng)力取決于底部橋墩和墊石本身。由于支座墊石厚度相對較小，混凝土澆筑時要認真振搗，確?；炷琳駬v質(zhì)量，墊石混凝土振搗是否密實對其應(yīng)力有重要影響。本文采用抽空單元模擬振搗不密實部分混凝土，對墊石底部半橢球體不密實部分以彈性模量較小的單元填充，不密實體三軸尺寸為40，7，80 cm，架梁后墊石不密實應(yīng)力云圖見圖8。對比分析在澆筑間隔30 d、考慮橋墩與混凝土收縮差異影響下的墊石混凝土架梁后應(yīng)力，墊石縱軸第一主應(yīng)力見圖9。

圖8 墊石不密實應(yīng)力云圖

圖9 墊石振搗密實與不密實的縱軸第一主應(yīng)力變化曲線

由圖8、圖9 可以看出：由于墊石混凝土振搗不密實，導(dǎo)致不密實位置處混凝土拉應(yīng)力比振搗密實的混凝土拉應(yīng)力大，增幅達到42.2%，這使混凝土在不密實處更容易形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂縫，嚴重影響墊石質(zhì)量及使用性能。所以，保證墊石振搗密實能有效減小內(nèi)部拉應(yīng)力，避免墊石內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生。

3 改進措施

實際工程中，墊石混凝土開裂主要由于混凝土收縮引起，墊石開裂后修復(fù)比較困難、效果差且造成嚴重的經(jīng)濟損失。因此，基于本文定量分析，通過改善新老混凝土收縮效應(yīng)來減小支座墊石拉應(yīng)力。在支座墊石澆筑前，對底部橋墩進行灑水潤濕，利用橋墩與墊石之間的相互作用來改善支座墊石初始應(yīng)力狀況。由于墊石與橋墩的澆筑間隔相對較長，橋墩收縮基本趨于穩(wěn)定，墊石澆筑前對橋墩進行灑水潤濕不僅可以保證墊石與橋墩緊密黏結(jié)，還能使橋墩膨脹后能夠在環(huán)境影響下二次收縮以改善上部墊石的收縮應(yīng)力。由于橋墩在灑水濕潤之前混凝土收縮主要包括自身收縮和干燥收縮，在齡期90 d 后橋墩的收縮基本完成，灑水膨脹后的二次收縮只有干燥收縮，因此膨脹后二次收縮速率要比橋墩灑水濕潤前的早期收縮率要?。?1］。本文通過升溫法實現(xiàn)橋墩混凝土膨脹，膨脹后二次收縮率取1/3，1/2，2/3 分別進行分析，不同收縮率對橋墩、墊石收縮影響曲線見圖10。

圖10 不同收縮率對橋墩、墊石收縮影響曲線

由圖10 可知：在齡期90 d 左右時，橋墩混凝土收縮基本完成；灑水膨脹后按不同收縮率進行二次收縮對墊石的收縮應(yīng)力有較大的影響。相比不濕潤橋墩，橋墩灑水濕潤后墊石早期7 d 內(nèi)的收縮應(yīng)力明顯減小，并隨著橋墩二次收縮率的增大，墊石收縮應(yīng)力減小越明顯，根據(jù)二次收縮率不同，應(yīng)力減少46.0%～92.6%，有效地改善了墊石初始應(yīng)力狀態(tài)。因此，利用橋墩與墊石的相互作用，在墊石澆筑前對橋墩潤濕使橋墩二次收縮，將對新澆筑墊石收縮裂縫有很好的解決效果。

4 結(jié)論

通過對高速鐵路橋梁支座墊石開裂成因分析，得出如下主要結(jié)論及改進措施：

1）新老混凝土收縮效應(yīng)對架梁后支座墊石的應(yīng)力有顯著的影響，支座墊石拉應(yīng)力基本由新老混凝土收縮效應(yīng)引起，其中對墊石底面應(yīng)力影響嚴重。

2）新澆筑墊石的收縮應(yīng)力隨著墊石與橋墩的齡期差增大而增大，最后趨于穩(wěn)定。因此，在橋墩澆筑完成后越早澆筑墊石，墊石的施工質(zhì)量就越好。

3）墊石混凝土澆筑不密實將會增大支座墊石內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生，嚴重影響墊石正常工作，威脅橋梁安全。

4）當(dāng)橋墩與墊石的澆筑間隔較長時，為避免支座墊石開裂，可以在墊石澆筑前對底部橋墩進行灑水潤濕，利用橋墩二次收縮作用能夠有效減小新澆筑墊石的收縮應(yīng)力，從而減少收縮裂縫的產(chǎn)生。