花瓶型桥墩竖向开裂成因分析

中交公路规划设计院有限公司，北京 100000

我国目前建成的跨江特大桥中，引桥多采用整体式箱梁结构。对于采用整体式箱梁上部结构的桥梁，桥墩通常是选择整体式实体墩，有些桥梁为了造型和美观，将实体墩做成花瓶型，并设置装饰槽增强视觉效果。跨江特大桥的引桥通常采用等跨连续梁的结构形式，当必须跨越河堤时，跨径会增大，桥梁会增高，这些交接墩位置就必须采用高差调整块来保持桥面标高一致。桥墩顶部在支座支反力的作用下会产生横向的拉应力，需要加强钢筋[1]。高差调整块的截面通常为桥墩顶部截面的一半，配筋也没有桥墩顶部密集，存在运营期开裂的风险。文章以某高速公路跨江桥的引桥桥墩为例，结合实际病害情况对开裂机理进行分析。

1 工程概述

文章引用的工程实例为高速公路桥梁，设计车道双向六车道，桥面净宽33.5m，设计车辆荷载为汽车-超20级、挂车-120级。

（1）桥墩及高差调整块构造。出现开裂的桥墩为该桥引桥与过渡孔桥的交接墩，该桥桥墩墩身采用花瓶型矩形截面实体墩，墩身前后两侧设有装饰槽，墩台均设置承台，基础采用钻孔灌注桩基础。桥墩顶面横桥向宽度为7.2m，纵桥向宽度为3m，截面横向和纵向宽度均以半径为4198.17cm的圆弧开始收紧，最终截面横向宽度为5.7m，纵桥向宽度为1.5m。墩顶设高差调整块，调整块横向与桥墩顶面同宽（7.2m），纵向宽度为1.5m，高度为1.15m。桥墩混凝土标号为30号。

（2）配筋信息。主筋为直径28mm的Ⅱ级钢筋，为了避免墩身的收缩及温度裂缝，在墩身及墩顶钢筋保护层内设置了钢筋焊网。高差调整块顶面布置了一层直径22mm的Ⅱ级钢筋，间距20cm，侧面布置了一层直径12mm的Ⅱ级钢筋。

2 花瓶型桥墩高差调整块开裂现状

2.1 外观检查结果

该桥分左右两幅，两幅的过渡桥墩均发现开裂，开裂位置发生在高差调整块的装饰槽，并向下延伸到墩身。

（1）右幅开裂情况。右幅桥墩开裂较严重，共发现2条开裂严重的裂缝，结合检查结果，绘制的裂缝分布图如图1所示，裂缝现场照片如图2所示。其中裂缝①开裂情况最为严重，裂缝分布在高差调整块的顶面和两侧面，形成了一条U形裂缝，宽度最大位置达到6.73mm，已经远远超过了《公路桥涵养护规范》（JTG H11—2004）[2]中规定的最大裂缝宽度0.25mm。裂缝在靠近小桩号方向的桥墩侧面，向下延伸1.5m，超过了高差调整块高度。裂缝②形态相同，但裂缝主要发展在高差调整块侧面，顶面未贯穿开裂，靠近小桩号方向的桥墩侧面向下延伸2.3m，超过了高差调整块高度。

图1 右幅桥墩高差调整块裂缝分布图（单位：cm）

图2 裂缝现场照片

（2）左幅开裂情况。左幅过渡墩侧面发现了两条开裂严重的裂缝，均位于装饰槽内，裂缝位置及形态与上游侧过渡墩一致，但是裂缝宽度小于上游侧过渡墩。裂缝①最大宽度1.10mm，长度为155cm；裂缝②最大宽度0.75mm，长度为300cm。由于现场检测条件限制，未对大桩号侧进行检测。

2.2 无损检测结果

（1）钢筋位置检测结果。根据现场钢筋位置检查情况，对比原桥设计图纸，实际钢筋分布与原设计基本一致，顶面钢筋原设计间距为20cm，现场实测吻合；侧面横向钢筋原设计间距为22cm，现场实测为20cm，考虑到测量误差，基本吻合。原设计图纸中最顶层横向钢筋保护层厚度为5cm，而现场检测发现顶层钢筋的保护层厚度为10cm，即高差调整块顶面10cm范围内完全为素混凝土。

（2）混凝土强度检测结果。根据回弹仪的实测数据计算（考虑混凝土碳化深度），桥墩混凝土强度为43.4MPa，大于原设计C30混凝土的强度。

3 有限元分析

（1）支座支反力计算。支座支反力从Madis Civil建立的上部结构模型中提取，计算支反力时考虑的作用（荷载）包括主梁自重、二期恒载以及活载，活载布置为4车道偏载。支反力计算结果如表1所示。

表1 支座反力 单位：kN

（2）实体模型建立。花瓶型桥墩受力形式不同于平面杆系结构，且该桥桥墩尺寸较大，为了更加准确地模拟出桥墩的实际受力状态，选择了Midas Fea有限元分析软件，建立桥墩的三维实体模型。有限元实体模型按桥墩的实际构造尺寸建立，但为了简化计算，桥墩实体模型中桥墩高度为8m（桥墩截面变化高度为8m）。底部边界条件采用完全固结处理。为提高计算精度，网格尺寸精细到0.05m。实体模型的荷载仅考虑支座的支反力，Midas Civil中提出的支反力以面荷载的方式加载在支座垫石上。

（3）桥墩实体模型分析结果。通过Madis Fea的静力分析功能，得到了桥墩和高差调整块在支反力作用下的应力云图，如图3所示。从图3的分析结果可以清楚地看出，高差调整块顶面在两个支座垫石之间均出现了横向拉应力（即应力云图中的红色区域），拉应力大小为0.60～1.07MPa，横桥向拉应力最大的位置出现在靠小桩号侧的装饰槽位置，最大拉应力1.095MPa，这也是实际开裂最严重的位置，四个装饰槽横向拉应力由左向右依次为1.03MPa、0.92MPa、0.91MPa、1.095MPa。

图3 桥墩实体模型应力云图

4 裂缝成因

从实体模型分析结果来看，高差调整块横桥向会在支座之间产生受拉区，且拉应力最大的位置出现在装饰槽拐角处，最大拉应力未超过C30混凝土的抗拉强度，理论上不存在开裂的风险。但是，结合全桥的情况来看，南引桥相同的桥墩并未出现如此严重的开裂情况，查阅了施工资料后发现，南北引桥为两个不同的标段，施工单位不同。

综合分析检测结果、实体模型分析结果和相关资料后，对于裂缝的成因分析如下：（1）装饰槽尺寸较小，施工时该位置混凝土施工质量会差与其他位置，在施工完成后大概率会出现微小裂缝；（2）施工时由于钢筋网的偏位，导致高差调整块顶面钢筋保护层过大，使墩身钢筋无法控制墩身表面裂缝宽度；（3）在运营期上部结构恒载和活载作用下，高差调整块顶部会产生横桥向的拉应力，在装饰槽位置拉应力最大；（4）在拉应力作用下，施工期产生的微小裂缝开始扩展，沿装饰槽往下延伸，最后形成了目前看到的裂缝。

装饰槽的设计是隐患、施工质量的关键点、运营期拉应力是诱导因素。因此，竖向开裂是多个因素共同作用的结果。

5 结束语

花瓶型桥墩的高差调整块在上部结构恒载和运营期活载作用下，会在支座之间产生横向拉应力区，且设置装饰槽增加了施工难度及应力集中点，为裂缝的产生和发展埋下了隐患。在未来桥梁设计过程中，可以优化桥墩造型，采取更加平滑的装饰设计，降低裂缝产生的风险。