某斜拉橋主塔下部墩柱裂縫分析及處治建議

焦恒見 羅文林 糜懷谷

（1、江蘇和則合建設(shè)工程有限公司，江蘇 無錫214000 2、南京博瑞吉工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京210000 3、蘇州繞城高速公路有限公司，江蘇 蘇州215000）

1 概況

某斜拉橋全寬36.5m，跨布置為（70+105）m，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆單箱三室箱梁，下部結(jié)構(gòu)為樁柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。主塔橋下主墩出現(xiàn)多條豎向、斜向裂縫，如圖1～3 所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)立面示意圖（單位：m）

圖2 橋下主塔主跨側(cè)豎、斜向裂縫

圖3 橋下主塔錨跨側(cè)豎、斜向裂縫

2 主橋整體及主塔局部分析

2.1 整體模型計(jì)算荷載及參數(shù)

2.1.1 材料參數(shù)。主梁和索塔混凝土等級(jí)C50，斜拉索采用φ7mm 高強(qiáng)度平行鋼絲束，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度fpk為1670MPa，預(yù)應(yīng)力鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度fpk為1860Mpa。

2.1.2 荷載。（1）一期恒載、二期恒載。（2）索塔基礎(chǔ)不均勻沉降按2cm計(jì)，輔助墩、過渡墩基礎(chǔ)不均勻沉降按1.5cm計(jì)。（3）汽車荷載等級(jí)：公路－I 級(jí)。（4）體系整體升降溫：體系升溫按17℃考慮，體系降溫按-20.6℃考慮。（5）梁截面梯度溫差：混凝土梁按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）計(jì)算。

2.1.3 荷載組合。計(jì)算中考慮的荷載組合包括：組合Ⅰ：恒載+基礎(chǔ)沉降+汽車荷載。組合Ⅱ-1：恒載+基礎(chǔ)部均勻沉降+汽車荷載+整體升溫+截面升溫梯度。組合Ⅱ-2：恒載+基礎(chǔ)部均勻沉降+汽車荷載+整體降溫+截面降溫梯度。全橋總體模型分析采用Midas/Civil 2019 程序，按設(shè)計(jì)高程進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。主梁和主塔采用三維梁?jiǎn)卧?，斜拉索采用桁架單元?/p>

2.2 索塔墩實(shí)體有限元分析

為分析病害產(chǎn)生的原因，采用MIDAS/FEA實(shí)體有限元軟件，建立如下實(shí)體有限元模型（圖4）。從Midas/Civil 全橋總體模型分析結(jié)果中提取斜拉橋在運(yùn)營(yíng)階段的索力施加于主塔實(shí)體有限元模型中的斜拉索錨塊處。根據(jù)病害特點(diǎn)，本次重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域?yàn)闃蛳轮魉罩_裂病害部位。

圖4 橋塔實(shí)體網(wǎng)格模型圖

從上圖5～7 分析結(jié)果來看，忽略局部網(wǎng)格畸變和應(yīng)力集中區(qū)域，錨跨側(cè)墩和主跨側(cè)墩主拉應(yīng)力超過C50 混凝土設(shè)計(jì)值（1.8MPa）的區(qū)域與裂縫發(fā)生部位較為吻合，主墩拉應(yīng)力在2.2MPa～5.6MPa，實(shí)體模型中，未計(jì)入普通鋼筋的作用，故拉應(yīng)力絕對(duì)值相對(duì)較高。斜拉橋零號(hào)塊（墩梁固結(jié)處）長(zhǎng)度21.6m，橋梁寬度36.2m，主塔傳遞下來的荷載，通過塔梁固結(jié)處梁體實(shí)心段（橫梁）橫向分配給墩身兩側(cè)空心室墩，兩側(cè)空心壁較薄，剛度小，變形大。其未充分考慮空心室墩與實(shí)心主墩的變形協(xié)調(diào)，未配置與主拉應(yīng)力方向一致的斜筋，自身抗裂性不足。

圖5 主跨側(cè)墩P1 主應(yīng)力等值面圖

2.3 橋塔輔助墩開裂影響分析

2.3.1 空心墩和實(shí)體墩分離分析結(jié)果。為分析主塔空心墩開裂后的影響，將主墩空心部分和實(shí)心部分分離，研究該種工況下主塔下部墩柱受力和變形情況。分析可知，恒載標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下，其最大主拉應(yīng)力為2.52 MPa，如圖9 所示；空心墩與主墩豎向變形量相差1mm 左右，兩者變形不協(xié)調(diào)，主墩空心部分和實(shí)心部分存在受拉趨勢(shì)，導(dǎo)致主墩出現(xiàn)斜裂縫。

2.3.2 忽略空心墩分析結(jié)果。為分析主塔空心墩開裂后的影響，計(jì)算模型中將主墩空心部分去掉，即假定空心部分完全失效，研究該種工況下主塔受力情況。采用MIDAS/FEA實(shí)體有限元軟件，建立如下網(wǎng)格模型圖10 所示。圖中應(yīng)力拉為+，壓為-。

從圖11 中得知，除箱梁與墩身交界處應(yīng)力集中外，箱梁絕大部分梁體主拉應(yīng)力為負(fù)，即梁體絕大部分不出現(xiàn)拉應(yīng)力。

從上圖12～15 分析結(jié)果來看，主塔空心墩開裂后，即使主墩空心完全失效，主墩最大主拉應(yīng)力為1.67MPa，未超高C50 混凝土抗拉設(shè)計(jì)值，由此說明主墩空心區(qū)域開裂對(duì)主塔受力影響不大。

圖6 錨跨側(cè)墩P1 主應(yīng)力等值面圖

圖7 錨跨側(cè)墩Y-Y（橫向）應(yīng)力圖

圖8 豎向變形云圖（mm）

圖9 主墩P1 主應(yīng)力等值面圖（MPa）

圖10 主墩無實(shí)心部分實(shí)體有限元模型

3 主要病害分析及處治建議

圖11 箱梁0#塊主拉應(yīng)力（P1）圖

圖12 錨跨側(cè)實(shí)心墩身主拉應(yīng)力（P1）圖

圖13 主跨側(cè)實(shí)心墩身主拉應(yīng)力（P1）圖

圖14 實(shí)心墩軸中心面主拉應(yīng)力（P1）圖

圖15 實(shí)心墩軸中心面主壓應(yīng)力（P3）圖

斜拉橋主塔在恒載作用下主要承受軸向壓力作用，根據(jù)主塔和橋墩結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)可知，主塔承擔(dān)了較多的豎向荷載，可能其下部承臺(tái)中心區(qū)域的樁基礎(chǔ)沉降比外圍樁基礎(chǔ)沉降稍大，由此導(dǎo)致橋梁主墩出現(xiàn)斜向受剪、劈裂裂縫。通過對(duì)比有空心墩模型和無空心墩模型計(jì)算結(jié)果可知：

3.1 主塔空心墩的主要作用是提高斜拉橋箱梁的橫向穩(wěn)定性、抗扭能力，以及增強(qiáng)主塔承臺(tái)基礎(chǔ)的傳力均勻性。在不考慮其具體作用的前提下，去除實(shí)心墩區(qū)域后，箱體對(duì)橋墩的約束變小，主墩內(nèi)側(cè)表面拉應(yīng)力值較低，小于1MPa。也即空心墩開裂不會(huì)影響結(jié)構(gòu)其余部分構(gòu)件的安全。

3.2 因空心墩與實(shí)體主墩分配的豎向荷載不同，也即實(shí)體墩承擔(dān)了較大比例的豎向荷載，導(dǎo)致其豎向變形比空心墩多1mm 左右，因此在兩者交接的范圍內(nèi)出現(xiàn)了斜裂縫。

因此，對(duì)于空心墩部分裂縫，建議暫且不作加固處理，僅作裂縫封閉、壓力灌縫和跟蹤觀測(cè)處理。