大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋過渡墩環(huán)向裂縫成因分析

曾珺 黃建初

摘要：文章以某跨徑組合為85 m+160 m+85 m的大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，分析橋梁過渡墩病害概況，通過有限元計算分析，從過渡墩偏心矩設(shè)計合理性、滑板支座滑動功能受限、梁端卡死等方面分析過渡墩環(huán)向裂縫產(chǎn)生原因，并從橋梁管養(yǎng)方面分析過渡墩病害產(chǎn)生的直接影響因素。研究表明：過渡墩主橋與引橋的偏心矩設(shè)置合理，非橋墩環(huán)向裂縫產(chǎn)生的影響因素；梁端卡死，在整體升溫作用下，主梁縱向變形受約束，對橋墩產(chǎn)生較大水平反力，是導(dǎo)致橋墩開裂的主要原因；滑板橡膠支座滑動功能受限時，在整體升溫作用下，橋墩下半段產(chǎn)生拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度，是導(dǎo)致橋墩開裂的影響因素之一；支座滑動功能受限、建筑垃圾堆積、伸縮縫伸縮功能受限等病害缺陷，以及橋梁管養(yǎng)不及時、不到位是造成橋墩開裂的重要原因。

關(guān)鍵詞：大跨徑連續(xù)剛構(gòu)；過渡墩；環(huán)向裂縫；成因分析

中圖分類號：U448.21+5? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-4074（2024）04-0180-03

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)是混凝土梁橋中跨越能力最強的結(jié)構(gòu)形式，具有梁體連續(xù)、無須設(shè)伸縮縫、行車平順，不設(shè)支座、不需要轉(zhuǎn)換體系、施工方便，造價低、運營養(yǎng)護成本低、耐久性好等特點［1］，被廣泛應(yīng)用于大跨度的公路和市政橋梁建造中。連續(xù)剛構(gòu)橋的過渡墩結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，同時承受主橋和引橋傳遞的荷載，為了避免橋墩蓋梁兩側(cè)不均勻受力對橋墩產(chǎn)生不利影響，蓋梁兩側(cè)支座需要根據(jù)主橋和引橋承擔(dān)的反力設(shè)置合理的支座偏心矩，同時在過渡墩橋面需要設(shè)置合適的伸縮縫。若設(shè)計不合理，或者橋梁運營養(yǎng)護管理不到位，過渡墩在外力作用下會產(chǎn)生環(huán)向裂縫等病害。本文結(jié)合工程實例，從過渡墩結(jié)構(gòu)設(shè)計、橋梁養(yǎng)護管理等方面分析過渡墩產(chǎn)生環(huán)向裂縫的原因，為橋梁病害處治提供參考。

1 工程概況

某跨江特大橋采用左右雙幅分離式結(jié)構(gòu)，跨徑組合為（4×30+85+160+85+30）m，橋梁全長500.8 m，橫斷面布置：1.5 m（人行道）+0.5 m（防撞墻）+11 m（行車道）+0.5 m（防撞墻）+0.5 m（中央分隔帶）+0.5 m（防撞墻）+11 m（行車道）+0.5 m（防撞墻）+1.5 m（人行道）=27.5 m。主橋上部構(gòu)造采用跨徑（85+160+85）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，每幅橋主梁為單箱單室的箱形斷面。引橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，第一聯(lián)先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)，第三聯(lián)先簡支后橋面連續(xù)。下部結(jié)構(gòu)主橋橋墩（5號、6號橋墩）采用雙薄壁墩，過渡墩（4號、7號橋墩）采用圓形雙柱墩；引橋橋墩（1號、2號、3號橋墩）采用圓形雙柱墩，橋臺采用肋板式橋臺。全橋基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁。橋面鋪裝采用瀝青混凝土，4號、7號橋墩采用SSFB-240伸縮縫，0號臺采用SSFB-80伸縮縫；8號臺采用橋面連續(xù)。橋梁設(shè)計荷載等級為公路-Ⅰ級，雙向四車道。橋型布置見圖1。

過渡墩左右幅均為雙柱式墩，墩柱直徑均為1.8 m，長度均為6.32 m，基礎(chǔ)按嵌巖樁設(shè)計，樁長均為25 m，單幅橋4根樁基。蓋梁寬2.8 m，主橋支座中心線到橋墩中心線距離為0.65 m，引橋支座中心線到橋墩中心線距離為1.0 m。主橋側(cè)采用GYZF4 600×117滑板圓板式橡膠支座，引橋側(cè)支座采用普通圓板式橡膠支座。

2 過渡墩病害概況

該橋通車運營14年后，檢測發(fā)現(xiàn)7號過渡墩左右幅的4根墩柱（7-1#～7-4#墩柱）均存在不同程度的環(huán)向裂縫，每根墩柱存在7～13道裂縫。4根墩柱的環(huán)向裂縫基本分布在同一高度，靠近承臺位置，距蓋梁底面2.6～6.0 m，均分布在主跨側(cè)，裂縫長度占墩柱截面的1/3～1/2，伴有網(wǎng)狀裂縫，最大裂縫寬度在0.18～0.28 mm，未超過《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）［2］規(guī)定限值（0.4 mm），墩柱環(huán)向裂縫病害概況見表1。

3 過渡墩環(huán)向裂縫成因分析

3.1 墩身產(chǎn)生環(huán)向裂縫影響因素

7號墩結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，同時承受主橋和引橋傳遞的荷載，橋墩環(huán)向裂縫主要是由于主橋、引橋兩側(cè)的不平衡彎矩引起。根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，7號過渡墩的4個墩柱裂縫均分布在主橋側(cè)，因此可推斷主橋側(cè)彎矩大于引橋側(cè)彎矩。該彎矩主要包括橋墩兩側(cè)豎向支座反力產(chǎn)生的偏心矩和水平支座反力對承臺頂面位置產(chǎn)生的彎矩兩大部分。

3.1.1 豎向支座反力偏心矩

豎向支座反力主要包括上部結(jié)構(gòu)自重、橋面鋪裝、防撞墻等恒載和車輛活載，主橋側(cè)和引橋側(cè)產(chǎn)生的豎向支座反力是不均衡的，設(shè)計階段通過設(shè)置兩側(cè)支座不同偏心矩，使豎向支座反力對墩身產(chǎn)生的彎矩達到相對平衡狀況，控制在合理范圍之內(nèi)，若活載在設(shè)計荷載范圍之內(nèi)，不會造成墩身開裂。

3.1.2 水平支座反力引起的彎矩

7號過渡墩橋面設(shè)置了SSFB-240伸縮縫，主橋側(cè)蓋梁設(shè)置滑板支座，在伸縮縫、滑板支座功能正常的情況下，主橋傳遞給過渡墩蓋梁的水平反力一般不會太大。當(dāng)伸縮縫的伸縮功能受限，造成梁端抵死或滑動支座的滑動功能失效，主橋梁體在溫度升高情況下產(chǎn)生的梁體縱向變形不能自由釋放，受到約束的變形將對過渡墩產(chǎn)生較大的水平反力。支座到承臺頂面距離為7.32 m，水平支座反力對該截面的力臂較大，在水平支座反力作用下，產(chǎn)生較大彎矩作用，導(dǎo)致墩身開裂。從7號過渡墩的4個墩柱裂縫分布情況看，基本符合這一成因。

3.2 有限元計算模型

為了分析支座反力對橋墩的不利影響，采用Midas Civil有限元軟件建立主橋、引橋整體桿系有限元模型（見圖2、圖3）和橋墩桿系有限元模型（見圖4），通過整體桿系有限元模型分別計算不同情況下過渡墩支座反力，將不同情況下支座反力施加于橋墩桿系有限元模型，分析橋墩結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

橋墩桿系有限元模型邊界條件按不同部位分別施加不同約束，樁基底部嵌巖邊界按固定約束，嵌巖以上部分樁基按土彈簧邊界約束［3］，土彈簧剛度模量按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG 3363-2019）［4］計算，間距取1 m，見表2。

3.3 計算工況及參數(shù)取值

基于前文影響因素分析，分別計算以下幾種情況的橋墩結(jié)構(gòu)響應(yīng)：

工況一：恒載作用下，分析豎向支座反力對橋墩結(jié)構(gòu)的影響。

工況二：最不利情況下，即主橋側(cè)支座反力僅考慮恒載，引橋側(cè)支座反力考慮活載和恒載共同作用，按標(biāo)準(zhǔn)組合，分析豎向支座反力對橋墩結(jié)構(gòu)的影響。

工況三：在整體升溫作用下，模擬主橋梁端縱向變形受約束，對過渡墩產(chǎn)生的水平反作用力，計算其對橋墩結(jié)構(gòu)的影響。

相關(guān)計算參數(shù)取值如下：

（1）汽車荷載：公路-Ⅰ級。

（2）整體升溫：施工合龍溫度為20 ℃，按升溫14 ℃計算。

（3）考慮到主橋梁端未能完全被約束，縱向變形按其50%取值。

（4）滑板橡膠支座滑動功能受限時，按普通橡膠支座情況計算。

3.4 結(jié)構(gòu)受力影響因素分析

3.4.1 工況一

根據(jù)橋梁整體計算結(jié)果，主橋側(cè)恒載作用下，豎向支座反力F1=6 730 kN，支座偏心矩e1=0.65 m。引橋側(cè)標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下，豎向支座反力F2=4 009.5 kN，支座偏心矩e2=1.0 m。豎向支座反力作用下，墩身在主橋側(cè)受壓。將以上計算參數(shù)施加于橋墩桿系有限元模型進行計算，根據(jù)計算結(jié)果可知，橋墩在主橋側(cè)受壓，應(yīng)力云圖見下頁圖5。

3.4.2 工況二

將引橋標(biāo)準(zhǔn)組合豎向支座反力與主橋恒載豎向支座反力施加于橋墩桿系有限元模型進行計算，根據(jù)計算結(jié)果可知，橋墩在主橋側(cè)受壓，應(yīng)力云圖見圖6。

3.4.3 工況三

3.4.3.1 整體升溫反力計算（梁端卡死）

將梁端施加縱向約束模擬主橋梁端變形受約束，混凝土線膨脹系數(shù)按其材料特性的50%取值。根據(jù)計算，在整體升溫作用下，主橋梁端產(chǎn)生4 524.9 kN的水平反力。在釋放梁端約束、整體升溫作用下，梁端產(chǎn)生的縱向變形為2.1 cm，與梁端不完全卡死情況下存在一定變形的實際情況較為吻合。

3.4.3.2 整體升溫支座反力計算（滑板支座滑動功能受限）

當(dāng)滑板橡膠支座滑動功能受限時，按普通橡膠支座考慮，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）［5］第4.3.13條，支座摩擦系數(shù)取0.2，結(jié)合主橋恒載支座反力可計算得到支座摩阻力為1 392.4 kN，小于梁端卡死情況下的摩阻力，整體升溫產(chǎn)生的水平反力4 524.9 kN。因此以支座摩阻力計算滑板支座滑動功能受限的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

3.4.3.3 梁端卡死橋墩應(yīng)力分析

將整體升溫產(chǎn)生的水平支座反力施加橋墩桿系有限元模型進行計算，根據(jù)計算結(jié)果可知，橋墩在主橋側(cè)受拉，其中橋墩下半段拉應(yīng)力在17.13～30.82 MPa，遠(yuǎn)超過混凝土抗拉強度值1.39 MPa，是橋墩開裂的主要原因，應(yīng)力云圖見圖7～8。

3.4.3.4 滑板支座滑動功能受限橋墩應(yīng)力分析

將支座摩阻力施加橋墩桿系有限元模型進行計算，根據(jù)計算結(jié)果可知，橋墩在主橋側(cè)受拉，其中橋墩下半段拉應(yīng)力在5.65～9.48 MPa，超過混凝土抗拉強度值1.39 MPa，是橋墩開裂的影響因素之一，應(yīng)力云圖見圖9～10。

綜合以上計算分析可知，橋梁過渡段蓋梁支座偏心矩設(shè)置合理，在設(shè)計荷載作用下，橋墩在主橋側(cè)未產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)過渡段產(chǎn)生主橋側(cè)活動支座功能受限、伸縮縫卡死等情況下，橋梁在整體升溫作用時，主橋的縱向變形受約束，對橋墩產(chǎn)生較大的水平支座反力，橋墩承臺及樁基位于地表土以下，對橋墩形成嵌固作用，約束橋墩變形傳遞，橋墩粗大、長度短、剛度較大，從而導(dǎo)致橋墩開裂。

3.5 橋梁管養(yǎng)因素分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力影響因素分析可知，橋墩開裂的主要因素是在整體升溫作用下，主橋梁端縱向變形受約束，梁體不能自由伸縮，對橋墩產(chǎn)生較大的水平反力。導(dǎo)致主橋梁端卡死的主要因素如下：

（1）為了適應(yīng)主橋側(cè)梁體縱向變形，主橋側(cè)設(shè)置了滑板橡膠支座，當(dāng)出現(xiàn)四氟滑板損壞、鋼墊板銹蝕等情況時，若不及時更換四氟滑板、修復(fù)滑板支座的滑動功能，梁體縱向變形將會受到一定約束，產(chǎn)生較大水平支座反力，導(dǎo)致橋墩開裂。

（2）橋梁施工過程遺留在蓋梁頂面的建筑垃圾是造成梁端卡死的重要因素，橋梁運營養(yǎng)護階段，若不及時清理建筑垃圾，也會對橋墩造成不利影響。

（3）伸縮縫的設(shè)置是為了適應(yīng)梁體縱向自由變形，當(dāng)伸縮縫的伸縮功能受限時，就會造成梁端卡死，如不及時更換或修復(fù)伸縮縫，恢復(fù)其伸縮功能，將會對橋墩造成不利影響。

4 結(jié)語

根據(jù)過渡墩環(huán)向裂縫成因分析，可得出以下結(jié)論：

（1）過渡墩主橋與引橋的偏心矩設(shè)置合理，在設(shè)計荷載作用下，橋墩在主橋側(cè)處于受壓狀態(tài)，不是橋墩環(huán)向裂縫產(chǎn)生的影響因素。

（2）若梁端卡死，在整體升溫作用下，主梁縱向變形受約束，對橋墩產(chǎn)生4 524.9 kN水平反力，橋墩在主橋側(cè)均受拉，最大拉應(yīng)力達到30.82 MPa，是導(dǎo)致橋墩開裂的主要原因。

（3）當(dāng)滑板橡膠支座滑動功能受限時，在整體升溫作用下，產(chǎn)生1 392.4 kN支座摩阻力，橋墩下半段產(chǎn)生5.65～9.48 MPa拉應(yīng)力，超過混凝土抗拉強度值1.39 MPa，是導(dǎo)致橋墩開裂的影響因素之一。

（4）支座滑動功能受限、建筑垃圾堆積、伸縮縫伸縮功能受限等病害缺陷是造成橋墩開裂的直接原因，橋梁管養(yǎng)不及時、不到位是造成橋墩開裂的重要原因。

參考文獻

［1］周軍生，樓莊鴻.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.中國公路學(xué)報，2000，13（1）：31.

［2］JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.

［3］高能祥，方 健.m法和有限元法對橋梁樁基的計算探討［J］.城市道橋與防洪，2021，267（7）：272-275.

［4］JTG 3363-2019，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］JTG D60-2015，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.

作者簡介：曾 珺（1988—），碩士，工程師，主要從事公路工程咨詢工作。