实心薄壁高墩竖向开裂原因及耐久性分析

2016-12-12谌乐强谌洁君

公路与汽运 2016年6期

谌乐强，谌洁君

（1.江西中煤建设集团有限公司，江西南昌 330001；2.江西省青年科学家（井冈之星）培养对象计划资助江西中煤勘察设计研究总院有限公司，江西南昌 330001）

实心薄壁高墩竖向开裂原因及耐久性分析

谌乐强1，谌洁君2

为分析某山区二级公路高架桥实心薄壁高墩在使用若干年后逐渐产生竖向裂缝的原因，从其结构受力特点及砼耐久性特征进行理论分析，初步确定竖向开裂是由温度荷载和砼碳化综合作用的结果；采用MIDAS／FEA软件对该工程建立有限元模型进行结构计算，计算结果印证了理论分析的合理性；为分析实心薄壁高墩开裂对该工程耐久性的影响程度，对开裂前后状态进行耐久性能演变对比分析，结果表明竖向裂缝的存在对高墩耐久性的影响在1%以内，修补现有裂缝即可满足结构耐久性要求。

桥梁；薄壁实心高墩；开裂；耐久性

为在山区修建符合路线设计总体要求的高等级公路，近年来中国修建了大量以薄壁高墩作为下部结构的长大桥梁。以截面形式划分，薄壁高墩有实心和空心两类。目前，国内外已有许多关于空心薄壁高墩结构受力特性的研究成果，但对断面截面形式单一、施工更为简便、在公路桥梁中应用更为广泛的实心薄壁高墩的研究较少。

目前，部分实心薄壁高墩在使用若干年后于墩身中、上段产生竖向裂缝，且裂缝宽度呈逐年增宽趋势。为分析裂缝成因，该文针对某山区二级公路高架桥钢筋砼实心薄壁墩，先进行理论分析，再采用有限元软件MIDAS／FEA建立有限元模型进行结构计算验证理论分析结果的正确性，并对开裂及未开裂实心薄壁高墩作耐久性演变分析。

1 工程概况

某山区二级公路高架桥建成于2006年，为8× 40 m+12×25 m+8×40 m先简支后连续小箱梁桥，全长987.16 m，东西走向，设计荷载等级为汽车-20级、挂车-80，桥面宽度为9 m行车道+2× 0.5 m防撞护栏。每跨上部结构采用3片小箱梁，下部结构为钢筋砼实心薄壁墩配钻孔灌注桩基础、双柱式墩身配钻孔灌注桩基础接盖梁及桩柱式桥台接盖梁。实心薄壁高墩最高44 m。

该桥实心薄壁高墩近几年普遍出现竖向开裂病害，且裂缝宽度呈逐年增宽趋势。目前，高墩表面竖向裂缝位于墩身东面及西面，宽度0.15～0.47 mm。

2 实心薄壁高墩开裂原因理论分析

主要从超载、地基不均匀沉降、附加荷载产生的二次力、砼耐久性四方面逐一排查该桥实心薄壁高墩竖向裂缝的成因。

2.1 以超载为假定原因作分析

该工程上部结构为先简支后连续小箱梁，桥墩墩身受到的荷载包括恒载和活载产生的竖向力及制动力、上部结构传递的温度水平力、风力的作用，属于偏心受压构件。该类构件的结构受力性病害包括受压区砼压碎或受拉区砼水平向开裂两类。墩身裂缝走向为竖向，可见与墩身承受的上述水平力无关。另外，大部分墩身竖向裂缝并未延伸至盖梁，少数裂缝延伸至盖梁但并未贯穿盖梁全高，判定开裂现象与上部结构不均匀受力无关。

2.2 以地基不均匀沉降为假定原因作分析

地基不均匀沉降对墩身产生的影响将最先体现在离地基最近的墩身下段，这类裂缝的特征是自下向上发展，且呈下宽上窄趋势。这与该工程竖向裂缝的发展趋势不符，基本可排除该原因。

2.3 以附加荷载产生二次力为假定原因作分析

以该桥建成年代判断，设计时采用的主要规范是JTJ 021-89《公路桥涵设计通用规范》和JTJ 023-85《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，该批规范没有针对高墩的受力特点提出设计要求，即使是现行的2004版桥梁设计规范亦没有提出要求。对于普通钢筋砼构件，最有可能导致结构

产生二次力的附加荷载是温度荷载。《桥梁设计手册》指出“空心高墩在温度作用下能产生相当大的温度应力，某些情况下，可与恒载、活载产生的应力属同一个数量级”，但并没有提到温度荷载对实心高墩的影响。下面从温度荷载的种类及各种温度荷载对实心高墩的影响进行分析。

自然环境条件变化产生的温度荷载分为日照温度荷载、年温温度荷载和骤然降温温度荷载。年温温度荷载是指年温变化使桥面系发生伸缩变形，在桥墩上产生次应力及年温度变化使桥墩自身产生次应力。该工程上部结构为先简支后连续小箱梁，小箱梁与下部结构间设置板式或四氟板式橡胶支座，这类支座可通过自身滑移或剪切变形消耗上部结构伸缩变形，墩身不产生或产生很小的次应力。

骤然降温温度荷载是指寒流引起墩身温度变化而产生次应力。由于上部结构对墩顶位移的限制，通常视墩顶处边界为铰接，属一次超静定结构，分析骤然降温将使桥墩产生一定的次应力。

日照温度荷载对墩身受力的影响主要体现在：日照升温时墩身外表面温度高，砼因存在内部孔隙致其热传导性差，墩身内部温度低，而外表面砼受热膨胀，内部温度低的砼限制了表面砼变形，最终产生温度次应力；同理，日照降温时，由于日落等因素致使结构外表面温度迅速下降，而结构内部温度几乎没有什么变化，形成内高外低的温度状态，温度次应力再次产生。可以判定，对墩身结构应力，尤其是墩身表面结构应力影响最大的是日照温度荷载。

2.4 以砼耐久性为假定原因作分析

影响公路桥梁砼结构耐久性的主要作用有碳化作用、氯盐侵蚀作用、冻融循环作用、硫酸盐腐蚀作用和磨蚀作用。该工程地处温热地区无工业污染环境中，故仅对碳化作用和磨蚀作用作分析。

从墩身砼外表面较光洁、未出现粗骨料外露的情况来看，因风作用导致的砼磨蚀现象基本不会对结构耐久性产生影响。

现有研究成果表明，砼碳化降低了砼的p H值，破坏钢筋表面钝化膜，导致钢筋锈蚀。文献［4］表明砼碳化程度愈强烈，砼强度愈高，脆性愈大，这种脆性使砼强度一到达，极限变形也到达，几乎没有塑性。文献［5］通过试验验证了这一点，并且指出碳化能减小砼吸水率、提高抗渗性。另外，文献［6］调查结果表明，受风压影响面碳化深度是不受风压影响面碳化深度的1.15倍。该工程桥墩是使用七八年后才发生竖向开裂，裂缝的产生与砼碳化作用有着必然联系。

2.5 理论分析结论

综上所述，该桥在使用一段时间后，墩身表面砼因碳化作用致使抗裂性能降低，加上温度荷载作用产生的结构次应力，导致实心薄壁高墩开裂。

近年来还有不少针对结构开裂后砼碳化作用发展趋势的研究：文献［6］指出拉应力将加快砼碳化速度，压应力可减缓砼碳化速度；如果砼构件的裂缝宽度超过0.4 mm，裂缝处的碳化深度可能加大，与砼角区发生的二维碳化情况类似。文献［7］认为双向碳化侵蚀和拉应力状态作用耦合下受拉角部砼的碳化深度大于2倍无应力状态下单向碳化深度。可见，高墩开裂后裂缝周边砼将继续碳化，沿裂缝深度和裂缝宽度两个方向发展。沿深度方向，未开裂的部分砼碳化后，其抗裂性降低，在温度荷载重复作用下裂缝深度继续发展，直至钢筋处并致其锈蚀。沿宽度方向，砼将沿水平向发生类似于砼角区的二维碳化，碳化至最近的竖向受力钢筋处，该钢筋钝化膜逐渐破坏继而锈蚀、周边砼开裂并脱落、钢筋继续锈蚀并最终失效，降低了高墩结构的耐久性。

3 有限元计算分析高墩开裂原因

3.1 建立有限元模型

采用MIDAS／FEA建立该工程薄壁实心高墩三维有限元模型（见图1）。

图1 薄壁实心高墩三维有限元模型

这次计算主要是为了分析墩身开裂原因，且桩基础为嵌岩端承桩，故仅对承台及以上桥墩墩身和盖梁建立模型。模型采用六面体划分网格，承台下桩基础范围边界条件设置为固结；墩顶有来自梁体的约束，按简支墩考虑，将墩顶支座处边界条件设置为铰接。

3.2 施加荷载

上部结构传递至盖梁顶面的荷载包括汽车荷载产生的竖向力、制动力、温度力，这些荷载均依据桥梁规范中的相关规定确定数值。《桥梁设计手册》指出：向阳面温度梯度可按指数函数考虑，随砼深度迅速减少，高墩日照温度可按向阳面20℃考虑。根据文献［2］，对于壁板式柔性墩，日照引起墩身截面控制温度分布为ty=T0e-ay。TB 1002.3-2005《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》取该曲线作为箱梁沿板厚的温差曲线。计算模型中将日照引起的温度梯度以节点温度形式施加在墩身节点上。

寒流引起的温度变化不如年温差大，计算时取JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》中温热地区中年最高温34℃和年最低温-3℃，该桥浇筑桥墩砼时温度为20～33℃，从而确定年升温14℃、年降温36℃。

3.3 定义施工阶段

为分析徐变对墩身应力的影响，依据桥涵规范定义砼徐变特性，并定义施工阶段为浇筑桥墩砼、架立主梁、通车运营10年。

3.4 计算结果分析

该桥桥墩墩身存在竖向开裂病害，取裂缝最宽处（距离承台顶面25.6 m）西侧面水平向应力分析其开裂原因。由各类荷载产生的水平向应力见表1，从中可见日照升温是导致墩身表面竖向开裂的主要原因。

表1 墩身裂缝最宽处西侧面水平向应力

为分析日照升温沿墩身厚度方向的影响范围，取该断面处应力等值线及应力线图（见图2）作分析。从图2可见，日照升温对墩身表面产生的拉应力为2.740 MPa，且在约0.13 m范围内迅速发展为压应力0.755 MPa。C30砼的抗拉强度标准值为2.01 MPa，说明日照升温是各类荷载中导致墩身开裂的主要原因。

图2 日照升温作用下应力等值线和应力线图（单位：kPa）

4 薄壁实心高墩耐久性分析

为分析竖向裂缝对结构耐久性的影响，对开裂及未开裂薄壁实心高墩作耐久性能演变分析。由前面的分析可知裂缝处碳化发展与结构角区类似，故将未开裂状态薄壁实心高墩视作墙体、裂缝处作为角区进行耐久性分析。

4.1 钢筋锈蚀耐久性分析

现场实测砼未开裂处碳化深度平均值为6.5 mm，超声-回弹综合法实测砼强度标准值为32.6 MPa。取开裂最严重的16号墩作为耐久性评定对象。该桥墩东、西侧各存在2条竖向裂缝，其中东侧2条裂缝（缝1、缝2）宽度及距最近竖向钢筋的距离分别为0.26 mm、6 cm和0.47 mm、5.5 cm，西侧2条裂缝（缝3、缝4）分别为0.32 mm、7 cm和0.56 mm、3.0 cm。

依据CECS 220：2007《混凝土结构耐久性评定标准》，作钢筋锈蚀耐久性评定需计算钢筋开始锈蚀的时间、砼保护层锈胀开裂时间和砼出现可接受最大外观损伤的时间。计算结果见表2。

表216 号墩耐久性分析计算结果年

4.2 截面损失分析

依据文献［10］所述方法，分别对开裂及未开裂状态下高墩及砼截面和钢筋截面损失进行分析。

由于无法准确得到墩身裂缝出现的时间，分析时偏安全地假定裂缝在成桥状态时就已出现。16号墩墩身截面积为9.64 m2，仅4条裂缝对砼截面损失产生的影响很小，故作砼截面损失分析时不考虑裂缝对截面积的影响。由于墩身为偏心受压构件，取受拉侧计算钢筋截面损失，并综合考虑已有裂缝对钢筋锈蚀的影响。计算结果见图3和图4。

图3 开裂状态下钢筋和砼截面面积损失率

图4 未开裂状态下钢筋和砼截面面积损失率

由图3、图4可以看出：由于未计及裂缝对砼截面损失的影响，桥墩建成69.3年时砼截面开始损失，到建成128.4年时损失率为4.90%，到153.1年时达到6.95%。开裂状态下，桥墩建成21.3年时钢筋开裂锈蚀，到建成69.3年时钢筋截面损失率为0.69%，到128.4年时损失率达7.27%，到153.1年时损失率达10.99%；未开裂状态下，桥墩建成69.3年时钢筋截面才开始损失，到128.4和153.1年时钢筋截面损失率分别为6.04%、9.70%。可见，裂缝将使钢筋截面开始损失的时间由建成69.3年提前至21.3年，到153.1年时钢筋截面损失率较未开裂状态下高1.29%。

4.3 截面承载力分析

按JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》偏心受压构件计算公式进行承载能力分析，若钢筋截面损失率达5%以上，则据CECS 220：2007《混凝土结构耐久性评定标准》附录D的要求进行钢筋强度折减。计算截面取裂缝最宽处（距离墩底25.6 m），计算工况取未开裂状态和开裂状态两种，并计算因开裂导致桥墩墩身承载力损失率。各耐久性分析时刻墩身承载力损失率计算结果见表3。