浅谈花瓶墩病害成因及加固

陈建荣

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁沈阳 110166)

1 桥梁概况

某桥跨径布置为31+50+31=112m，桥面宽度为20.5 m。

上部结构为单箱多室箱梁，下部为独柱花瓶墩。桥墩顶面尺寸为2.4 m×8 m，下部尺寸为2.4 m×4.5 m。墩顶设两支座，支座间距为6 m。桥型布置见图1。

(a)立面

(b)平面图1 桥型布置

2 病害情况

全桥共4个花瓶墩，在施工过程中发现墩顶跨中区域均出现沿顺桥向墩顶面贯通，并沿墩侧面向墩底延伸的U形裂缝，裂缝宽度从0.6～2 mm不等。经检测，桥墩强度满足设计要求，图2为S10桥墩裂缝分布图。

(a)S10桥墩北侧立面裂缝分布(单位:cm)

(b)S10桥墩南侧立面裂缝分布(单位:cm)

(c)S10桥墩顶面图2 S10桥墩裂缝分布

3 加固前桥墩受力分析

3.1 基本荷载

根据上部计算结果，上部主梁恒载反力为12 590 kN；混凝土及防撞墙铺装反力为1 875 kN。

3.2 材料基本参数

桥墩采用C40混凝土，弹性模量采用3.25×104MPa,泊松比为0.2，抗拉强度标准值2.4 MPa，抗拉强度设计值1.65 MPa；钢绞线采用抗拉强度标准值1 860 MPa低松弛钢绞线，弹性模型195 000 MPa，采用低回缩锚具。墩高按照8 m进行计算。

3.3 计算模型

依据Midas FEA建立空间有限元模型模型，桥墩用实体单元模拟。边界条件为墩底固结。计算模型见图3。

图3 加固前计算模型

3.4 计算结果

计算结果如见图4～图10所示。

图4 桥墩应力云

图5 拉应力数值为4.2MPa等值面

图6 拉应力数值为4.0MPa等值面

图7 拉应力数值为0MPa等值面(等值面在跨中距梁顶1.8m左右)

图8 拉应力数值为1.65MPa等值面(等值面在跨中距梁顶1.0m左右)

图9 现状拉应力数值为2.4MPa等值面(等值面在跨中距梁顶0.6m左右)

图10 现状拉应力数值为4.6MPa等值面

3.5 受力分析

从图4～图9可以看出，主梁墩顶两支座之间区域出现较大面积受拉区域，桥墩最大拉应力为 4.2 MPa，最大拉应力出现在距离墩横横桥向外侧2.4 m处，支座间墩顶其他区域最大拉应力也达到了4.0 MPa左右，拉应力远远大于C40混凝土抗拉强度标准值2.4 MPa；从图8可以看出，跨中距墩顶1.0 m高度范围内拉应力数值均超出C40混凝土抗拉强度设计值1.65 MPa，从图9可以看出跨中距墩顶0.6 m高度范围内拉应力数值均超出C40混凝土抗拉强度标准值2.4 MPa；从图10可以看出最大压应力出现在支座正下方桥墩外侧面，压应力最大数值为4.7 MPa，远远小于混凝土抗压桥墩。

4 病害成因分析

根据受力分析结果，本桥在墩顶两支座区域存在较大的拉应力。名义最大拉应力为4.2 MPa，墩顶仅仅配置直径12 mm、间距为100 mm的防裂钢筋网，本桥墩顶受拉钢筋配置不足，导致拉应力超过混凝土抗拉强度，混凝土开裂。

5 加固方法

依据设计单位推荐的加固方案，选取墩顶体外预应力钢绞线方案进行计算分析。墩顶横桥向布置8φs15.2-12长钢束，钢束锚固与钢锚梁上。墩顶截面厚度方向增大35 cm，宽度方向增大100 cm以布置钢绞线。在增加混凝土表面设置直径25 mm，间距100 mm钢筋网。加固方案如图11所示。

6 加固后检算

6.1 运营阶段应力检算

从图12～图13可以看出，运营后，除钢束锚后局部应力外，桥墩横桥向正截面最大拉应力0.5 MPa，满足规范要求。

6.2 墩顶拉杆检算

按照新的《钢筋混凝土和预应力混凝土规范》(总校稿)，对拉杆进行计算(表1)。

表1 拉杆计算

目前配钢束为8x12=96根，满足规范要求。

6.3 墩底强度检算

荷载组合数值见表2。

(a) 立面(横桥向)

(b) 侧面(纵桥向)

(c) 墩顶平面图11 加固钢束布置

图12 标准组合桥墩横桥向正截面应力云

图13 标准组合拉应力数值为0.5MPa等值面

表2 荷载组合数值

桥墩承载能力为[Nd]=183050.3kN，[Md]=413691.8kN，弯矩较小，未出现裂缝。

7 结论及建议

(1)加固前桥墩墩顶拉应力较大，超出混凝土抗拉强度值。

(2)加固后，营运状态，桥墩最大拉应力为0.5 MPa，满足规范要求。

(3)本桥计算模型是基于低回缩锚具，回缩值假定为2 mm进行计算，如果采用正常锚具，由于预应力钢束较短，损失较大，混凝土拉应力数值将显著增加。建议采用低回缩锚具。

(4)花瓶墩设计时应加强墩顶受力检算，支座间距较大时应该设计足够的墩顶抗拉钢筋。