某大桥主墩裂缝形成后结构验算及承载能力分析

彭鹏 蒋志豪

摘要：文章以某预应力混凝土连续刚构桥为工程背景，运用Midas Civil、ANSYS软件分别对桥梁整体和局部墩柱进行有限元计算，分析桥墩在施工过程中产生裂缝的原因，并对其承载能力进行结构验算分析，可为类似桥墩裂缝分析提供依据。

关键词：连续刚构;桥墩裂缝;承载能力;结构验算

中图分类号：U441 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.037

文章编号：1673-4874（2019）07-0119-04

0引言

随着近年来高速公路、铁路桥梁建设的飞速发展，桥梁数量大量增加的同时，伴随着不少问题的出现，尤其是混凝土结构裂缝。裂缝的存在使桥梁结构的安全面临着各种各样的风险，微裂缝并不影响结构安全，但是宽裂缝或者裂缝不断发展就会使桥梁寿命受到影响。本文以某连续刚构桥为工程背景，该桥桥墩存在较多裂缝，运用MidasCivil、ANSYS软件分别对桥梁进行整体和局部计算后，就裂缝形成的原因进行分析，同时对其进行结构验算并分析承载能力，为今后桥墩类似裂缝的分析提供参考。

1工程背景

某大橋（见图1）主桥上部结构采用（50+90+50）m单箱单室大悬臂变截面PC连续箱梁，外腹板采用直腹板形式，箱梁顶板宽度为14m，箱梁底板宽为7m。主墩墩顶根部高5.5m，向中、边跨方向41.5m范围内梁高变化采用2次抛物线，其余为等高梁段，梁高2.2m。下部结构主墩采用圆柱实体墩接盖梁形式，主墩墩身为直径4.5m的圆柱，主墩采用1.8m的钻孔灌注桩，桩基按摩擦桩设计。过渡墩采用圆形墩接盖梁形式，过渡墩基础采用4根直径1.6m的钻孔灌注桩，桩基按摩擦桩设计。

2主墩形成裂缝及分布情况

U 5#墩共计发现裂缝3条，裂缝总长度为14.2m。其中竖向裂缝1条，长度5.6m，宽度0.2mm，裂缝深度为74mm，并做裂缝观测点;斜向裂缝2条，长度分别为4.8m、3.8m，宽度分别为0.16mm（裂缝深度为79 mm）、0.15mm。

R15#墩共计发现裂缝3条，裂缝总长度17.06m，均为竖向裂缝，长度分别为7.46m、5m、4.6m，宽度分别为0.15mm（设有裂缝观测点）、0.2mm、0.12mm（裂缝深度为50 mm）。

L16#墩共计发现裂缝2条，裂缝总长度8.8m，均为竖向裂缝，长度分别为4.8m、4m，宽度分别为0.25mm（裂缝深度67mm，设有裂缝观测点）、0.18mm（裂缝深度67mm）。

R16#墩共计发现裂缝4条，裂缝总长度13.5m。其中竖向裂缝2条，长度分别为3m、4.6m，宽度分别为0.15mm、0.3mm（裂缝深度为54mm）;斜向裂缝2条，长度分别为2.1m、3.8m，宽度分别为0.14mm、0.36mm（裂缝深度为79 mm，设有裂缝观测点）。裂缝基本上沿桥纵向对称，裂缝在墩柱上面的分布如图2所示。

3主墩形成裂缝前承载力

根据某大桥的设计图纸，采用Midas Civil 2017软件进行建模分析。模型共170个梁单元，189个节点。墩顶节点与支座下节点用弹性连接的刚性连接，支座用弹性连接的一般连接，限制位移、转角方向刚度为1×107kN/m，支座上节点与主梁用刚性连接。见图3。

3.1主要荷载

（1）结构恒载（一期、二期）;

（2）汽车荷载采用公路一I级;

（3）制动力;

（4）温度荷载;

（5）支座不均匀沉降;

（6）预应力。

3.2验算截面的选取（见图4）

选取裂缝产生较多的位置，根据裂缝的分布情况选取墩顶往下4.5m进行验算。

4主墩形成裂缝后承载力

主墩形成裂缝后，主墩的截面尺寸按照最大裂缝深度（直径方向0.08m）的最大值考虑2倍安全系数进行折减，主墩承载能力按折减后的尺寸进行验算。

4.1主要荷载

（1）结构恒载（一期、二期）;

（2）汽车荷载采用公路一I级;

（3）制动力;

（4）温度荷载;

（5）支座不均匀沉降;

（6）预应力。

4.2验算截面的选取

选取裂缝产生较多的位置，根据裂缝的分布情况选取墩顶往下4.5m的一个截面来进行验算。

5主墩ANSYS实体模型分析结构内力及裂缝

根据设计图纸，采用大型通用有限元软件ANSYS进行墩柱实体建模分析。为计算施工过程墩身受力最不利情况，墩高取9 m。垫石、帽梁及墩身均采用Solid65单元，共24640个单元。假设裂缝在成桥最不利情况下形成，墩柱承受的主要荷载为墩身自重以及来自上部结构的支座反力。支座反力取上述Midas Civil模型中基本组合最不利情况下的支反力，一个支座竖向力为28159.49 kN，水平力为173.23kN。另一个支座竖向力为24800.75kN，水平力为403.4kN。具体实体模型如图5所示。

在垫石、墩身及帽梁自重和上部结构传递的支反力共同作用下墩身第一主应力、第二主应力、第三主应力云图如图6～8所示。

从图5～8可以看出，最大主拉应力和最大主压应力均出现在墩顶以及墩底附近的外侧，最大主拉应力出现在第一主应力中，其值为0.395MPa，小于C40混凝土抗拉强度设计值1.65MPa最大主压应力出现在第三主应力中，其值为8MPa，亦小于C40混凝土抗压强度设计值18.4MPa。因此，理论状态下桥墩不会出现裂缝。

现场测量的裂缝主要集中在墩身中间处上下2m左右范围。根据整体墩身应力云图，提取墩身中间处受力较大侧1/2周长范围内外侧单元进行取证分析，该部分单元主应力云图及主应力方向图如图9～12所示。

从图9～12中第一、第二、第三主应力可以知道，可能使结构产生受拉裂缝的是第一主应力中的主拉应力，方向是水平方向，但该处应力值为0.049 MPa，远小于C40强度设计允许值1.65MPa，因此该裂缝不会是因支座反力和自重荷载作用下的主拉应力形成的。而竖向的第三主应力中提取的主压应力为4.55 MPa，亦小于C40的设计允许值18.4 MPa，满足规范要求，不会出现受压破坏裂缝。综上所述，根据实体模型计算结果，桥墩出现裂缝的位置理论状态下不会产生结构受拉、受压裂缝。根据现场裂缝深度及分布情况测量和以往工程经验可知，该裂缝可能是因为施工过程中浇筑大体积混凝土时水化热产生的温度微裂缝，并不会对结构的承载力产生较大的影响，也不会影响桥梁结构运营安全。

6结语

（1）裂缝形成前，主墩的承载能力是完全满足规范要求的。

（2）裂缝形成后，主墩的截面尺寸按照最大裂缝深度（直径方向0.08m）的最大值考虑2倍安全系数进行折减，折减后的主墩承载能力依然满足规范要求。

（3）根据裂缝形成前后主墩纵桥向、横桥向偏压承载力的对比情况可知，裂缝形成后主墩偏压承载力折减非常小，几乎可以忽略不计。

（4）根据实体模型计算结果，桥墩出现裂缝的位置理论状态下不会产生结构受拉、受压裂缝。根据现场裂缝深度及分布情况测量和以往工程经验可知，该裂缝可能是因为施工过程中浇筑大体积混凝土时水化热产生的温度微裂缝，并不会对结构的承载力产生较大的影响，也不会影响桥梁结构运营安全。