花瓶墩裂缝成因分析

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摘要：本文通过现场试验和建立有限元模型对某连续梁桥的花瓶墩裂缝进行成因分析，研究表明：桥墩由于受到上部结构支反力的作用产生较大的横向拉力，相应配置的受拉钢筋面积是影响裂缝开展的重要因素。

关键词：花瓶墩 裂缝成因 钢筋

中图分类号： TU392.2 文献标识码： A 文章编号：

1 工程概况

该项目主跨孔跨组合为35+48+40m。主桥上部为单箱四室箱梁截面，下部构造为薄壁花瓶墩，花瓶墩尺寸如图1所示。主梁采用C50混凝土，墩柱采用C30混凝土，预应力钢束为Φj15.24mm钢绞线。

通过对桥墩实地调查，发现多个桥墩墩帽梁中间处出现了不同宽度的裂缝，其中最严重的是左幅6#薄壁花[ 作者简介：王婵（1984- ），女，助理工程师，湖北鄂州人]瓶墩（出现纵深120cm的贯通裂缝，第一裂缝宽度为0.6mm，第二裂缝宽度为0.3mm），裂缝未向下发展，如图2所示。本文选取左幅6#薄壁花瓶墩进行裂缝成因分析研究。由桥墩混凝土回弹法强度检测结果发现，除局部试点因为混凝土施工缺陷等原因导致实测值比设计值略小外，混凝土强度达到设计强度。

（a）裂缝示意图 （b）裂缝实际情况

图1薄壁墩构造图 图2 6#墩裂缝观测位置图

2 理论分析

2.1计算机理

上部结构传递下来的荷载作用在花瓶墩墩顶处的两个支座上形成支反力，在局部荷载作用下，花瓶墩可假想成一个带有多根“拉杆”的倒立的拱。该拱纵向承受着局部荷载，横向承受拱顶侧向压力。离墩底较远且在两支座之间的部位由“拉杆”承受因局部荷载作用引起的横向拉力。当局部荷载达到“拉杆”的抗拉强度时，局部承压区产生纵向裂缝，当荷载继续增加时，“拉杆”内力重分布，裂缝将进一步延伸。钢筋在混凝土中主要承受拉应力，适量的钢筋可抵抗局部荷载引起的横向拉力。

本文通过MIDAS 2006对全桥进行模拟，计算出在承载能力极限状态最不利组合下的左幅桥6#墩的支反力，通过ANSYS建模，加载支反力求出桥墩的横向拉应力，再配出相应的受拉钢筋来抵抗拉应力。配筋后，通过裂缝宽度试算安全加载值

2.2支反力及配筋计算

钢筋混凝土薄壁墩支座垫石尺寸为960cm×810cm×18.5cm，混凝土轴心抗压强度设计值fck=1.61MPa，设计钢筋HRB335的抗拉强度设计值fy=280MPa。通过MIDAS对该桥进行全桥模拟，模型如图3所示。极限承载能力状态下最不利组合求出的桥墩支反力N1=16438.83kN，N2=11271.57kN。

图3 计算支反力时的全桥模型图

求出支反力后，建立ANSYS花瓶墩实体有限元模型，在ANSYS有限元模型中定义三维六面体单元SOLID65模拟薄壁花瓶墩。

通过计算可得未配筋情况下6#墩的主应力云图和应力迹线图如下图4、图5所示。

图4 未配筋情况下主应力云图（N/cm2） 图5 未配筋情况下应力迹线图(N/cm2) 图6 钢筋与混凝土耦合后主应力云图（MPa）

由图5可知，在支反力和墩底的竖向力作用下，受拉区呈倒三角形，产生较大的横向拉应力。

图7 墩身对称轴处横向正应力与梁高关系

墩身对称轴处的横向正应力与梁高关系如图6所示。横向拉应力图的总面积A =55721.625。

横向拉力值Nd的计算式如公式（1），则。

（1）

式中：A为横向拉应力图的总面积，t为墩身厚度。

假定拉力全部由钢筋承受，则：。

需35根32钢筋,则取44根32钢筋。6#墩沿纵向按四层分布，其中第一层钢筋中心到墩顶距离取50mm，层与层之间钢筋距离取为150mm；每层为11根32钢筋，间距10cm。通过ansys再次建模，把其四层钢筋用link8与混凝土耦合，Link8单元是只承受轴向拉压，不承受弯矩的杆单元，它具有2个节点，节点只具有平动自由度，仅承受杆端荷载，杆中应力相同。耦合后的拉应力结果如图6所示，拉应力值基本在1.36MPa之内，基本符合设计要求。

4 结论

桥墩由于支反力的作用产生较大的横向拉力，则是否配有足够的受拉钢筋是引起裂缝的重要因素。通过本文的受拉钢筋配筋计算可知桥墩在局部荷载作用下，局部承压区需至少配置四排受拉钢筋。

对于配筋不足的问题为防止裂缝进一步发展，需对花瓶墩进行加固。

参考文献

[1] 城市桥梁设计准则，CJJ11-93,

[2] 城市桥梁设计荷载标准，CJJ77-98,

[3] 公路桥涵设计通用规范，JTG D60-2004,

[4] 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范，JTG D60-2004。