彭鵬 蔣志豪

摘要：文章以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘?，運(yùn)用Midas Civil、ANSYS軟件分別對(duì)橋梁整體和局部墩柱進(jìn)行有限元計(jì)算，分析橋墩在施工過(guò)程中產(chǎn)生裂縫的原因，并對(duì)其承載能力進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析，可為類似橋墩裂縫分析提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu);橋墩裂縫;承載能力;結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

中圖分類號(hào)：U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.037

文章編號(hào)：1673-4874（2019）07-0119-04

0引言

隨著近年來(lái)高速公路、鐵路橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展，橋梁數(shù)量大量增加的同時(shí)，伴隨著不少問(wèn)題的出現(xiàn)，尤其是混凝土結(jié)構(gòu)裂縫。裂縫的存在使橋梁結(jié)構(gòu)的安全面臨著各種各樣的風(fēng)險(xiǎn)，微裂縫并不影響結(jié)構(gòu)安全，但是寬裂縫或者裂縫不斷發(fā)展就會(huì)使橋梁壽命受到影響。本文以某連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘?，該橋橋墩存在較多裂縫，運(yùn)用MidasCivil、ANSYS軟件分別對(duì)橋梁進(jìn)行整體和局部計(jì)算后，就裂縫形成的原因進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算并分析承載能力，為今后橋墩類似裂縫的分析提供參考。

1工程背景

某大橋（見(jiàn)圖1）主橋上部結(jié)構(gòu)采用（50+90+50）m單箱單室大懸臂變截面PC連續(xù)箱梁，外腹板采用直腹板形式，箱梁頂板寬度為14m，箱梁底板寬為7m。主墩墩頂根部高5.5m，向中、邊跨方向41.5m范圍內(nèi)梁高變化采用2次拋物線，其余為等高梁段，梁高2.2m。下部結(jié)構(gòu)主墩采用圓柱實(shí)體墩接蓋梁形式，主墩墩身為直徑4.5m的圓柱，主墩采用1.8m的鉆孔灌注樁，樁基按摩擦樁設(shè)計(jì)。過(guò)渡墩采用圓形墩接蓋梁形式，過(guò)渡墩基礎(chǔ)采用4根直徑1.6m的鉆孔灌注樁，樁基按摩擦樁設(shè)計(jì)。

2主墩形成裂縫及分布情況

U 5#墩共計(jì)發(fā)現(xiàn)裂縫3條，裂縫總長(zhǎng)度為14.2m。其中豎向裂縫1條，長(zhǎng)度5.6m，寬度0.2mm，裂縫深度為74mm，并做裂縫觀測(cè)點(diǎn);斜向裂縫2條，長(zhǎng)度分別為4.8m、3.8m，寬度分別為0.16mm（裂縫深度為79 mm）、0.15mm。

R15#墩共計(jì)發(fā)現(xiàn)裂縫3條，裂縫總長(zhǎng)度17.06m，均為豎向裂縫，長(zhǎng)度分別為7.46m、5m、4.6m，寬度分別為0.15mm（設(shè)有裂縫觀測(cè)點(diǎn)）、0.2mm、0.12mm（裂縫深度為50 mm）。

L16#墩共計(jì)發(fā)現(xiàn)裂縫2條，裂縫總長(zhǎng)度8.8m，均為豎向裂縫，長(zhǎng)度分別為4.8m、4m，寬度分別為0.25mm（裂縫深度67mm，設(shè)有裂縫觀測(cè)點(diǎn)）、0.18mm（裂縫深度67mm）。

R16#墩共計(jì)發(fā)現(xiàn)裂縫4條，裂縫總長(zhǎng)度13.5m。其中豎向裂縫2條，長(zhǎng)度分別為3m、4.6m，寬度分別為0.15mm、0.3mm（裂縫深度為54mm）;斜向裂縫2條，長(zhǎng)度分別為2.1m、3.8m，寬度分別為0.14mm、0.36mm（裂縫深度為79 mm，設(shè)有裂縫觀測(cè)點(diǎn)）。裂縫基本上沿橋縱向?qū)ΨQ，裂縫在墩柱上面的分布如圖2所示。

3主墩形成裂縫前承載力

根據(jù)某大橋的設(shè)計(jì)圖紙，采用Midas Civil 2017軟件進(jìn)行建模分析。模型共170個(gè)梁?jiǎn)卧?89個(gè)節(jié)點(diǎn)。墩頂節(jié)點(diǎn)與支座下節(jié)點(diǎn)用彈性連接的剛性連接，支座用彈性連接的一般連接，限制位移、轉(zhuǎn)角方向剛度為1×107kN/m，支座上節(jié)點(diǎn)與主梁用剛性連接。見(jiàn)圖3。

3.1主要荷載

（1）結(jié)構(gòu)恒載（一期、二期）;

（2）汽車荷載采用公路一I級(jí);

（3）制動(dòng)力;

（4）溫度荷載;

（5）支座不均勻沉降;

（6）預(yù)應(yīng)力。

3.2驗(yàn)算截面的選?。ㄒ?jiàn)圖4）

選取裂縫產(chǎn)生較多的位置，根據(jù)裂縫的分布情況選取墩頂往下4.5m進(jìn)行驗(yàn)算。

4主墩形成裂縫后承載力

主墩形成裂縫后，主墩的截面尺寸按照最大裂縫深度（直徑方向0.08m）的最大值考慮2倍安全系數(shù)進(jìn)行折減，主墩承載能力按折減后的尺寸進(jìn)行驗(yàn)算。

4.1主要荷載

（1）結(jié)構(gòu)恒載（一期、二期）;

（2）汽車荷載采用公路一I級(jí);

（3）制動(dòng)力;

（4）溫度荷載;

（5）支座不均勻沉降;

（6）預(yù)應(yīng)力。

4.2驗(yàn)算截面的選取

選取裂縫產(chǎn)生較多的位置，根據(jù)裂縫的分布情況選取墩頂往下4.5m的一個(gè)截面來(lái)進(jìn)行驗(yàn)算。

5主墩ANSYS實(shí)體模型分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力及裂縫

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，采用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行墩柱實(shí)體建模分析。為計(jì)算施工過(guò)程墩身受力最不利情況，墩高取9 m。墊石、帽梁及墩身均采用Solid65單元，共24640個(gè)單元。假設(shè)裂縫在成橋最不利情況下形成，墩柱承受的主要荷載為墩身自重以及來(lái)自上部結(jié)構(gòu)的支座反力。支座反力取上述Midas Civil模型中基本組合最不利情況下的支反力，一個(gè)支座豎向力為28159.49 kN，水平力為173.23kN。另一個(gè)支座豎向力為24800.75kN，水平力為403.4kN。具體實(shí)體模型如圖5所示。

在墊石、墩身及帽梁自重和上部結(jié)構(gòu)傳遞的支反力共同作用下墩身第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力、第三主應(yīng)力云圖如圖6～8所示。

從圖5～8可以看出，最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力均出現(xiàn)在墩頂以及墩底附近的外側(cè)，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在第一主應(yīng)力中，其值為0.395MPa，小于C40混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.65MPa最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在第三主應(yīng)力中，其值為8MPa，亦小于C40混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值18.4MPa。因此，理論狀態(tài)下橋墩不會(huì)出現(xiàn)裂縫。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的裂縫主要集中在墩身中間處上下2m左右范圍。根據(jù)整體墩身應(yīng)力云圖，提取墩身中間處受力較大側(cè)1/2周長(zhǎng)范圍內(nèi)外側(cè)單元進(jìn)行取證分析，該部分單元主應(yīng)力云圖及主應(yīng)力方向圖如圖9～12所示。

從圖9～12中第一、第二、第三主應(yīng)力可以知道，可能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生受拉裂縫的是第一主應(yīng)力中的主拉應(yīng)力，方向是水平方向，但該處應(yīng)力值為0.049 MPa，遠(yuǎn)小于C40強(qiáng)度設(shè)計(jì)允許值1.65MPa，因此該裂縫不會(huì)是因支座反力和自重荷載作用下的主拉應(yīng)力形成的。而豎向的第三主應(yīng)力中提取的主壓應(yīng)力為4.55 MPa，亦小于C40的設(shè)計(jì)允許值18.4 MPa，滿足規(guī)范要求，不會(huì)出現(xiàn)受壓破壞裂縫。綜上所述，根據(jù)實(shí)體模型計(jì)算結(jié)果，橋墩出現(xiàn)裂縫的位置理論狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)受拉、受壓裂縫。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裂縫深度及分布情況測(cè)量和以往工程經(jīng)驗(yàn)可知，該裂縫可能是因?yàn)槭┕み^(guò)程中澆筑大體積混凝土?xí)r水化熱產(chǎn)生的溫度微裂縫，并不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力產(chǎn)生較大的影響，也不會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全。

6結(jié)語(yǔ)

（1）裂縫形成前，主墩的承載能力是完全滿足規(guī)范要求的。

（2）裂縫形成后，主墩的截面尺寸按照最大裂縫深度（直徑方向0.08m）的最大值考慮2倍安全系數(shù)進(jìn)行折減，折減后的主墩承載能力依然滿足規(guī)范要求。

（3）根據(jù)裂縫形成前后主墩縱橋向、橫橋向偏壓承載力的對(duì)比情況可知，裂縫形成后主墩偏壓承載力折減非常小，幾乎可以忽略不計(jì)。

（4）根據(jù)實(shí)體模型計(jì)算結(jié)果，橋墩出現(xiàn)裂縫的位置理論狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)受拉、受壓裂縫。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裂縫深度及分布情況測(cè)量和以往工程經(jīng)驗(yàn)可知，該裂縫可能是因?yàn)槭┕み^(guò)程中澆筑大體積混凝土?xí)r水化熱產(chǎn)生的溫度微裂縫，并不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力產(chǎn)生較大的影響，也不會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全。