高铁加宽圆端实体桥墩结构裂缝原因分析

陈国华

中铁十二局集团第七工程有限公司 湖南 长沙 410004

1 工程概述

某高速铁路一多线特大桥，为多线车站桥，站台范围内桥墩采用门式墩，其余均采用圆端形实心墩，墩身混凝土等级为C35，墩台采用桩基础，桩基为端承桩。其中某加宽实体墩墩身宽12.0m、厚2.3m、墩身高10.0m、墩帽高3m，墩身配置护面钢筋。

2 裂缝产生原因分析

该桥墩在混凝土浇筑完1个月后，经检查发现承台顶至墩身3米范围内左、中、右位置对称出现6条竖向裂缝，裂缝最大宽度达0.36mm，最长达2.7m，对裂缝位置进行钻芯取样发现裂缝已发育至混凝土内部。

通过对该墩桩基质量检测、沉降观测数据分析排除基础下沉导致开裂；随后对墩身混凝土材料、施工过程、养护及混凝土强度检查，排除材料不合格、养护不到位及强度不合格等原因。该桥墩施工阶段即出现宽度较大裂缝，由于此时上部结构尚未加载，因此认为非荷载作用是开裂的主要因素。

一般实体桥墩宽度不超过8m，考虑桥墩尺寸的影响，对高速铁路加宽实体桥墩水化热进行理论分析和有限元分析，并对该类特殊桥墩裂缝控制提出建议，其结论也可推广到其他桥梁结构形式的桥墩，可为今后桥墩水化热和施工开裂的设计分析提供参考。

3 理论分析

大体积实体混凝土桥墩，水泥水化过程中产生大量的热量，导致墩身内外温差过大，在结构表面和内部均产生拉应力，从而引起早期开裂，结构耐久性可能因此而受到严重的影响，因此需要进行水化热分析。

因混凝土水化热所引起的温度应力分为内部约束力和外部约束力。内部约束力是因为混凝土温度分布的不平衡约束了结构体积的自由膨胀而发生的应力；而外部约束力是由于已浇筑的混凝土或其他因素约束了正在浇筑的混凝土的温度变形而产生的应力。对于本文所考虑的情况，在桥墩混凝土浇筑之前，承台混凝土已经硬化，具有很大的刚度因此将对桥墩混凝土产生很大的约束。在桥墩混凝土浇筑初期，桥墩内部混凝土温度上升很快，而表面混凝土温度基本稳定，内部混凝土的膨胀受到约束，因此在混凝土内部产生压应力，而在混凝土表面产生拉应力；在混凝土浇筑后一段时间，桥墩内部温度开始下降，此时内部混凝土的收缩同时受到承台和表面混凝土的约束，将在混凝土内部产生较大的拉应力，而桥墩混凝土表面可能产生一定的压应力。

本文针对该开裂桥墩开展分析，分析工况为现行《铁路混凝土工程施工技术规程》（QCR9207-2017）8.2.7条规定的桥墩混凝土内芯温度与表层最大温差20°C。采用最大温差，对桥墩混凝土内芯进行升温，计算墩身由温度变化引起的应力分布。

4 有限元建模分析

4.1 桥墩建模

因开裂位置在墩身，仅对墩身进行计算。考虑桥墩的对称性、边界条件及温度梯度变化的对称性，采用六面体网格进行网格划分，建立1/4桥墩有限元模型，如图1所示。

对承台底面进行固定约束，对墩身横桥向对称面、纵桥向对称面分别进行对称约束。

图1 桥墩有限元模型

4.2 温度加载方式

根据《铁路混凝土工程施工技术规程》（QCR9207-2 0 1 7）8.2.7 条规定：“混凝土的入模温度（振捣后50mm～100mm深处的温度）不宜高于28°C。混凝土浇筑体在入模温度的基础上升温不大于50°C，且最高温度不得大于65°C。混凝土芯部温度与表层温度之差不应大于20°C。”考虑桥墩混凝土内外温差20°C的最不利的情况，对墩身芯部进行升温。参考《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB10092-2017）附录B的混凝土温差计算的规定，沿着厚度方向温差曲线按照下列公式计算：

升温方式一，沿厚度升温方式如图1所示。其中混凝土芯部温度比表层温度高20°C，从芯部至混凝土表层按上式温差进行降温。W1为墩身截面降温过渡区域厚度，W1取0.9m。

图2 升温方式示意图

升温方式二，沿厚度升温方式如图1所示。其中混凝土芯部温度比表层温度高20°C，从芯部至混凝土表层按上式温差进行降温。W2为墩身截面降温过渡区域厚度，W2取0.75m。与升温方式一相比，升温方式二下桥墩升温20°C的区域增大。

4.3 计算结果

（1）升温方式一

图3 截面正应力

升温方式一下桥墩截面正应力分布如图3所示。截面外侧为拉应力状态，由外向内拉应力逐渐减小并过渡为压应力。由外侧向内厚度0m、0.15m、0.3m、0.45m处截面正应力分别为1.35MPa，1.31MPa，1.28MPa，1.26MPa。

图4 截面最大主应力

升温方式一下桥墩截面最大主应力分布如图4所示。截面外侧为主拉应力状态，由外向内主拉应力逐渐减小并过渡为主压应力。由外侧向内厚度0m、0.15m、0.3m、0.45m处截面主拉应力分别为1.63MPa、1.61MPa、1.61MPa、1.60MPa。

（2）升温方式二

图5 截面正应力

升温方式二下桥墩截面正应力分布如图5所示。截面外侧为拉应力状态，由外向内拉应力逐渐减小并过渡为压应力。由外侧向内厚度0m、0.15m、0.3m、0.45m处截面正应力分别为2.45MPa、2.36MPa、2.25MPa、1.31MPa。

图6 截面最大主应力

升温方式二下桥墩截面最大主应力分布如图6所示。截面外侧为主拉应力状态，由外向内主拉应力逐渐减小并过渡为主压应力。由外侧向内厚度0m、0.15m、0.3m、0.45m处截面主拉应力分别为2.75MPa、2.63MPa、2.55MPa、1.84MPa。

4.4 计算结果分析

由计算结果可知，当混凝土升温温度为20°C、过渡区域厚度为0.9m时，墩身主拉应力最大为1.63MPa＜2.25 MPa，满足《铁路混凝土结构设计规范》（TB10092-2017）3.1.4条的设计要求。当混凝土升温温度为20°C、过渡区域厚度为0.75m时，墩身主拉应力最大为2.75MPa＞2.25 MPa，大于《铁路混凝土结构设计规范》（TB10092-2017）3.1.4条的设计要求。与升温方式一相比，升温方式二下桥墩升温20°C的芯部区域更大，因升温产生的主拉应力更大。因此，在《铁路混凝土工程施工技术规程》（QCR9207-2017）8.2.7条规定要求的最大温差下，如果能控制最大升温区域的范围，墩身混凝土最大主拉应力可以满足《铁路混凝土结构设计规范》（TB10092-2017）3.1.4条的设计要求，墩身不会出现开裂现象。当降温措施不足，最大升温区域过大时，会出现主拉应力超过规范设计要求的情况。因此，该桥墩由于水化热产生的温度应力超过墩身混凝土可承受最大主拉应力而产生结构裂缝。

5 结论

以该铁路加宽实体墩施工阶段产生结构裂缝为研究对象，对墩身混凝土水化热温度应力导致的开裂研究，可得出下列结论和建议：

（1）加宽实体桥墩应区别于普通实际桥墩设计，设计过程中应充分考虑加宽桥墩施工过程水泥水化反应引起的温度裂缝，并采取相关加强措施。

（2）施工过程中如遇特殊桥墩，比如加宽或加厚，施工方案中应采取降低水化热措施，比如选用合理的配合比、对骨料及拌和用水进行冷却、埋设冷却管等。

（3）根据计算结果，埋设冷却管时应埋设在距墩身表面75cm左右处，以保证水化热温度过度区大于75cm，防止产生温度裂缝。

（4）在加宽墩设计时，为了防止水化热等因素的综合作用引起宽度较大的桥墩竖向裂缝，可对桥墩构造箍筋进行加密加强。分析表明，加强构造钢筋对限制裂缝宽度有良好的效果。尤其是承台以上3m高度范围以内，由于此区域桥墩混凝土收缩受到承台的约束很大，引起的温度应力和收缩应力较大，更应该加强构造钢筋，控制施工裂缝的发展。