预制桥墩存储期间裂缝变形控制技术研究

张基成，陈 欣，闫 畅，冯晓楠

（1.徐州市公路事业发展中心，江苏 徐州 221000；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112）

0 引 言

传统的桥梁建造技术在当代中国的社会环境下，显现出越来越多的弊端。全预制装配式技术的出现，实现了节能环保、全生命周期价值最大化的桥梁生产方式，符合交通产业转型升级的要求，是未来发展的必然趋势[1-2]。

实际工程中预制桥墩的存储方式如图1 所示。竖直存储只需考虑安全防护的问题，而水平存储还有许多问题尚待研究。如不合理的支撑布置平面位置、桥墩叠放层数以及支撑布置数量可能导致预制桥墩产生裂缝和变形，极大地影响工程质量，因此开展了预制桥墩存储期间裂缝变形控制的研究。

图1 预制桥墩存储现状

2013 年，黄荣等[3]运用工程力学知识，针对预制桥墩的单点和多点起吊进行了研究。研究既考虑了吊绳的安全性，又考虑了构件的安全性。研究得出了单点和多点起吊的合理位置，做到了构件吊装的合理与安全。2019 年，郑晏华[4]为解决大型预制桥墩的运输问题，针对预制桥墩的结构特点进行研究。研究采用了预制桥墩的翻转装车技术，提高了构件运输的效率，确保构件在运输期间的结构受力稳定，降低了运输安全风险，取得了良好的实施效果。

2019 年，河南省发布的地方标准《装配式混凝土箱梁桥设计与施工技术规范》规定：（1）当桥墩采用竖向存放时，应采取安全支护措施；（2）当桥墩采用水平叠放方式存放时，叠放的层数不宜超过两层[5]。2020年，交通运输部发布的《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650—2020）规定：（1）构件堆垛时，应放置在垫木上，吊环向上，标志向外；混凝土养护期未满的，应继续洒水养护。（2）雨季和春季融冻期间，必须注意防止因地面软化下沉而造成构件断裂及损坏[6]。2010年，美国PCI 协会发布的《预制和预应力混凝土设计手册》规定：（1）预制构件应放置在支撑上，不得直接放置于地面；（2）预制构件在运输和存储期的支撑位置应一致，误差控制在2.5 英尺（1 英尺=30.48 cm）以内[7]。

综上，当前针对预制桥墩存储期间裂缝变形控制的研究较少，规范只对预制桥墩的水平存储方式提出了大致要求。因此，以徐州某快速化改造工程的桥梁为工程背景，比选不同的支撑布置平面位置、桥墩叠放层数以及支撑布置数量，提出相应的控制指标，以确保预制桥墩在存储期间的安全。

1 工程概况

徐州某快速化改造工程桥梁全长4974.1 m，标准桥宽33 m，全桥总计160 跨。桥墩尺寸为2 m×2 m矩形断面，角点处采用半径0.15 m 的圆倒角，墩柱高2～10.8 m。预制桥墩采用C40 混凝土，HRB400 级钢筋，纵向钢筋采用直径40 mm 钢筋，横向钢筋采用直径16 mm 钢筋。桥墩横截面如图2 所示。

图2 桥墩横断面图（单位:cm）

2 有限元模型建立

采用ABAQUS 软件建立有限元模型：预制桥墩采用3D 实体单元，高10.8 m；钢筋采用3D 线单元嵌入桥墩。有限元模型如图3 所示。

图3 有限元模型

混凝土和钢筋的具体参数见表1。

表1 材料参数

垫木与预制桥墩之间的接触，采用库仑摩擦，用摩擦系数表示接触面之间的摩擦特性，摩擦力等于法向力与摩擦系数的乘积。由工程地质手册可知[8]，混凝土与垫木间摩擦系数为0.62。

3 有限元分析

3.1 分析工况

有限元分析主要研究预制桥墩水平存储期间支撑布置平面位置、桥墩叠放层数及支撑布置数量对其受力性能和位移变形的影响，具体分析工况见表2。

表2 有限元分析工况

3.2 支撑布置平面位置

针对一层桥墩叠放，计算桥墩在图4 中的支撑布置平面位置下的受力及变形情况。

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图4 支撑布置平面位置

将工况1～3 静力有限元分析结果进行对比分析，其应力及变形情况如图5 和图6 所示。

图6 不同支撑平面位置变形对比图

根据图5 可知：工况3 支撑布置在正负弯矩相等处，预制桥墩应力最小，达到0.35 MPa；工况1 支撑布置在底面两端时，预制桥墩应力最大，达到1.31 MPa，尚未超过C40 混凝土的轴心抗拉强度标准值2.40 MPa。

图5 不同支撑平面位置应力对比图

根据图6 可知：工况3 支撑布置在正负弯矩相等处，预制桥墩变形最小，达到0.12 mm；工况1 支撑布置在底面两端时，预制桥墩变形最大，达到0.62 mm，尚未超过预制桥墩平整度5 mm 的要求。

当支撑布置在底面正负弯矩相等处时，桥墩无明显变形且应力最小，可避免预制桥墩在自重荷载及下部支撑作用下产生裂缝和变形。因此，支撑应布置在正负弯矩相等处。

3.3 桥墩叠放层数

针对支撑布置在底面两端，计算底层桥墩在不同叠放层数下的受力及变形情况。将工况1、4、5 静力有限元分析结果进行对比分析，其应力及变形情况如图7 和图8 所示。

图7 不同桥墩叠放层数应力对比图

图8 不同桥墩叠放层数变形对比图

根据图7 可知：工况1 中，一层桥墩叠放时，预制桥墩应力最小，达到1.31 MPa；工况5 中，三层桥墩叠放时，预制桥墩应力最大，达到2.41 MPa，超过C40 混凝土的轴心抗拉强度标准值2.40 MPa，会导致桥墩产生裂缝。

根据图8 可知：工况1 中，一层桥墩叠放时，预制桥墩变形最小，达到0.62 mm；工况5 中，三层桥墩叠放时，预制桥墩变形最大，达到1.06 mm，尚未超过预制桥墩平整度5 mm 的要求。

当桥墩叠放层数为一层时，桥墩无明显变形且应力最小，可避免桥墩在自重荷载及下部支撑作用下产生裂缝和变形。当叠放层数为三层时，应力和变形的变化趋势虽然一致，但是最大应力超过混凝土轴心抗拉强度，会导致桥墩产生裂缝。因此，叠放层数一层为宜。

3.4 支撑布置数量

针对一层桥墩叠放，计算桥墩在图9 所示的支撑布置数量下的受力及变形情况。

图9 支撑布置平面位置及数量图

将工况1、6、7 静力有限元分析结果进行对比分析，其应力及变形情况如图10 和图11 所示。

图10 不同支撑布置数量应力对比图

图11 不同支撑布置数量变形对比图

根据图10 可知：工况7 布置四支撑时，预制桥墩应力最小，达到0.35 MPa；工况1 布置两支撑时，预制桥墩应力最大，达到1.31 MPa，尚未超过C40混凝土的轴心抗拉强度标准值2.40 MPa。

根据图11 可知：工况7 布置四支撑时，预制桥墩变形最小，达到0.11 mm；工况1 布置两支撑时，预制桥墩变形最大，达到0.62 mm，尚未超过预制桥墩平整度5 mm 的要求。

当布置四支撑时，桥墩无明显变形且应力最小；当布置两支撑和三支撑时，对应力和变形影响不大，应根据现场实际情况来考虑支撑布置数量。

4 结 语

为确保预制桥墩在存储期间的安全，对预制桥墩的存储进行有限元分析。模拟了不同的支撑布置平面位置、桥墩叠放层数以及支撑布置数量，共7 种工况。通过对比分析得出以下结论：

（1）预制桥墩水平存储期间，支撑应布置在底面正负弯矩相等处，可避免预制桥墩产生裂缝，保证弯矩平衡。

（2）预制桥墩水平存储期间，叠放层数一层为宜，当叠放层数为三层时，桥墩的抗拉强度将不满足规范要求，导致桥墩产生裂缝。

（3）预制桥墩水平存储期间，应根据现场实际情况来考虑支撑布置数量。