连续刚构桥墩顶横隔板裂缝成因分析

Bridge Engineering

ss

连续刚构桥墩顶横隔板裂缝成因分析

冼尚钧\\杨志强2

(1.广州地铁集团有限公司，广东广州510330 ; 2•中铁三局集团广东建设工程有限公司，广东广州510630)

摘要：以某座连续刚构桥为工程背景，在不考虑施T因素影响的前提下，利用MIDAS系列软件对桥梁检测中所发现的 墩顶横隔板裂缝产生的原因进行了分析。由计算分析可知：温度荷载和桩基不均匀沉降是导致墩顶横隔板裂缝的主要原 因，并提出了针对横隔板裂缝的防治措施，对同类型桥梁横隔板的设计以及养护加固具有一定的参考价值。关键词：连续刚构桥；横隔板裂缝；成因分析；温度荷载；桩基沉降中图分类号：U445.71

文献标志码：B

文章编号：1009-7767(2019)05-0099-04

Cause Analysis of Pier Top Diaphragm Cracks of Continuous Rigid Frame Bridge

Xian Shangjun, Yang Zhiqiang

由于预应力混凝土连续刚构桥结构受力合理、施 3.45xl04 MPa，泊松比0.2;预应力钢束的弹性模量 工方法成熟、施工进度快，在我国使用较为普遍。但早期 1.95x丨05 MPa，松驰系数0.3，松驰率0.035，钢绞线抗 修建的连续刚构桥普遍出现了各种形式的裂缝和主 拉强度1 860 MPa。

跨跨中的下挠问题[\"。基于上述问题，笔者利用MIDAS 软件对某座连续刚构桥进行了数值模拟计算，对墩顶 横隔板裂缝问题进行了分析，以期找到导致裂缝形成 的原因。1 工程概况

某大桥全长820 m,桥宽23 m,主桥是分左右幅的 单箱单室连续刚构，跨径组合为(60+2x93+60) m。外观 检查中发现主桥箱梁墩顶横隔板出现较多裂缝（见图1)，为了分析裂缝产生的机理，采用有限元分析软件 MIDAS/CIVIL和MIDAS FEA进行建模分析与计算。

2.2局部隔离体模型

基于大量裂缝存在于墩顶横隔板，截取整桥模型 中的中墩及附近梁体作为隔离体，并用MIDAS/FEA建 立局部实体单元模型（见图3、4)，对其进行自由划分， 产生单元总数为97 088个，节点总数为30 344个。计 算分析步骤如下：

1)

在整体模型中计算出恒载和活载作用下各截面 的内力值（弯矩、剪力及轴力）。

2模型的建立

2)

将隔离体截面处的内力作为荷载，用节点力的

2.1桥梁全桥模型

形式加到隔离体截面上（见图4)。根据圣维南原理〖' 利用MIDAS/CIVIL建立全桥模型图（见图2)，该

对较远处的影响可以忽略。

桥模拟分析采用的主要材料参数取值如下：主梁和 对于墩顶箱梁横隔板的裂缝，该次模拟计算只考 墩身采用C50混凝土，重力密度26kN/m3,弹性模量

虑裂缝是由于荷载效应引起的（其中包括恒载、活载、

2〇i9年第5_(9»n第37卷呤苽啟甙 99

SS桥梁工程

Bridge Engineering

拉应力云图（见图6〜11),笔者只列出左幅横隔板的 相关计算结果。

图3局部模型图

图6工况丨作用下最大主拉应力云图

图4局部模型上部结构

桩基不均匀沉降和顶底板温差）。主要试算荷载工况 如下：

1) 工况1:恒载+汽车活载|31(4车道满载）2) 工况2:恒载+汽车活载(2车道偏载）3)

工况3〜10:在桩基的水下检测中发现有较严

图7

工况2作用下最大主拉应力云图

重的冲刷现象，故该次计算要加人桩基的不均匀沉降 工况。粧基的不均匀沉降，不同的工况对应不同的桩 基沉降情况见表1，桩基编号见图5。

承台

由图6、7可以看出，4车道满载和2车道偏载的 荷载工况下横隔板大部分区域主拉应力较小，最大值 为1.58 MPa,位于横隔板与内侧腹板的连接处，不足以 引起横隔板混凝土的拉裂。

鉴于篇幅所限，只列出了工况6的应力云图，工况 3〜10的4个角点（见图8)的具体应力值见表2。

①

③

④©

图5

①

〇

〇

〇

〇〇

①①〇

桩基布置图及编号

表1工况3〜10所对应的粧基下沉量cm

号 1 -5号 1-6号 1-7号 1 -8号

桩10

桩10

桩10

桩10

工况3工况4工况5工况6工况7工况8工况9工况101号桩 1-2号 1-3号 m10

桩10

桩10

桩10

4)工况11〜13:考虑顶板升温20 ^：、25丈JOT。3

计算结果及裂缝成因分析

上述荷载工况下，计算得到墩顶横隔板的最大主

图8

工况6作用下最大主拉应力云图

3.1各工况下横隔板主拉应力

100

呤払叙术

2019 No.5 (Sep.) Vol.37

Bridge Engineering

桥梁工程

ss

表2

工况3456710

工况3〜10横隔板角点应力值MPa

测点

10.230.250.160.130.310.260.100.11

20.240.330.420.220.330.270.040.92

32.113.453.523.573.402.960.210.19

42.303.013.223.723.352.880.350.55

图11工况13作用下最大主拉应力云图

由图8和表2可以看出，粧基下沉引起的横隔板 应力变化较大，人洞倒角处出现了应力集中，工况3〜8 达到3.72 MPa,已超过C50混凝土的抗拉强度。

3.2各工况下的应力比较

在基础沉降各工况中，工况6即1〜4号桩下沉时 8 cm、10 cm计算各角点的应力，同时将顶板升温为

的最大应力出现在内侧上倒角处，其中工况6时最大， 产生的应力最大。进一步假设1〜4号桩分别下沉5 cm、

工况11〜13作用下最大主拉应力云图见图9〜11。201、251、30丈时的计算值赋予表3中。

表3 1〜4号桩下沉及顶板升温时各角点应力

MPa

—L

tJLt

测点

10.070.110.130.220.280.33

20.110.170.220.510.0.76

31.782.853.571.391.742.09

41.862.973.720.951.191.42

下沉5 cm下沉8 cm下沉10 cm升温20T升温25^升温30弋

在应力集中点对上述2类荷载工况进行组合后 发现，内侧上倒角处的拉应力均已超过C50混凝土抗 拉强度（2.51 MPa),将可能引起裂缝的产生。而且由于 顶板升温工况的影响，横隔板有可能将开裂至与顶板 连接处。4

结论

基于实测及以上各工况下荷载模拟分析计算结 果，墩顶横隔板裂缝产生的原因及防治措施如下：

图10工况12作用下最大主拉应力云图

1)从实际检测到的裂缝来看，人洞上方区域出现 较多裂缝，并且大部缝从倒角处开始发展。结合 笔者的计算分析结果，墩顶横隔板裂缝的形成和发展

是基础不均匀沉降以及温度荷载引起的。

在桩基检测中发现了严重的基础冲刷情况，应尽 快对基础进行加固，以防止裂缝的进行一步恶化。

(下转第209页）

由图9〜11可以看出，顶板的升温对横隔板的应 力变化影响较大，横隔板上部区域均出现了较大的拉 应力，与顶板的连接处出现了应力集中。

从实际检测到的裂缝来看，人洞上方区域出现较 多裂缝，并且大部缝从倒角处开始发展。

2〇19年第5_(9 •〇萆37饔4芘扠术 101

管线工程

Pipeline Engineering

SS

33.3..6...42~d=0cn

4结论

32.-d=\\0c

2...082..6~d地裂缝活动会导致管廊结构应力2.2..41..2d=20 c 、应变发生变化,

-=

30c

1...0~裂，影响结构强度及 1..86d=40c

过大的拉应力会导致管廊结构开1..4-

m

1..2d=50 c

管廊的防水性能，从而对管廊的正常使用造成影响。地 w0..00....8/0..6

4裂缝活动造成的管廊拉应力增大与管廊埋深、地裂缝 r

- ^*与管廊的水平与竖直夹角、管廊截面形式以及地裂缝 wk

-

«

与管廊变形缝的相对位置有一定关系。通过分析不同 工况下的拉应力计算结果发现，斜交工况会产生比正 交工况更大的拉应力，这是由于地裂缝斜交会同时产

2060

i

120

生管廊弯曲与扭转，在施工与运营过程中应对斜交工 轴向距离/m

况进行重点监测与加固处理。GSI图9不同地裂缝错动量(d)管廊最大主应力曲线(测点②位置)

参考文献：

.2.

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图10不.

同地裂缝错动量(d)管廊最大主应力曲线(测点⑤位置)

道相互作用数值模拟分析m.灾害学,2013,28(2): 11-13,33.

0

于斜交工况下的0.747 MPa。

收稿日期：2019-02-28

基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目（17JK0424);西安市科技

对比万寿路段“田”字型截面与幸福路段“平舱”型 计划项目（20180591SF18SF25);西安市建设科技计划项目 断面的计算结果可以看出，无论是斜交工况还是正交工 (SJW2017-07);中建一局集团科技研发课题（KJYF-2017- 况，“平舱”型断面大舱与小舱的交界位置拉应力都较 15)

作者简介：马慧勇，男，高级工程师，主要从事地下空间工程项目管理

大，该部分产生的较大拉应力是由应力集中现象导致。

方面的研究。

(上接第101页）

参考文献：

2)横隔板设计时应要充分考虑温度与基础不均匀 [1] 李华明.大跨径预应力混凝土连续刚构桥裂缝机理与对策

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行优化设计，可适当设置横向预应力钢筋。

[2] 徐芝纶.弹性力学简明教程[M].北京：高等教育出版社,2002:

4) 加强日常养护和监测工作，对裂缝应进行监控，

40-50.

观察其发展的方向和程度，以便更好地分析裂缝的形

[31中交公路规划设计院.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥

涵设计规范:JTG D62-20041S].北京：人民交通出版社，2004.

成原因，采取合适的加固方法，延长桥梁的使用寿命。

[4]徐建东，汪波，朱新实.五河淮河公路大桥的维修加固[J]•公

5)

对于横隔板裂缝，可以采用直接灌缝法、施加 路，2007(10):35-38.

横向预应力、粘贴钢板3种方法组合使用的方式进行 收稿日期：2019-02-21

加固丨41〇 GH1

作者简介：冼尚钧，男，工程师，硕士，主要从事工程项目的管理工作。

2〇19卑箄5

獺（9_)第37卷4芘技;#： 209