桥梁圆截面独柱墩开裂分析及加固措施研究

金世安1,*，刘其伟2

(1. 江苏扬子大桥股份有限公司，靖江 214521； 2. 东南大学交通学院，南京 210096)

摘 要：针对某高速公路桥梁部分圆截面独柱墩顶部因螺旋钢筋缺失而开裂的情况，利用有限元软件ANSYS建立独柱墩模型，详细分析独柱墩在桥梁竖向荷载作用下其顶部混凝土表面的应力分布特征。通过计算分析，发现盆式支座下座板角点对应混凝土表面的竖向路径为最大主拉应力线的位置，且在桥梁最大竖向荷载作用下，有约17cm长度范围的混凝土主拉应力值超限。根据独柱墩顶部混凝土开裂的特点，选用预应力钢套管加固技术对该桥所有独柱墩进行维修加固。通过在ANSYS中对独柱墩加固区域表面施加均布压力来模拟钢套管对独柱墩的作用。结果表明，钢套管预应力的施加可有效减小独柱墩混凝土表面的主拉应力值，具有较好的维修加固效果。

关键词：圆截面独柱墩；开裂；主拉应力；预应力钢套管

现浇混凝土连续箱梁桥中间桥墩常采用圆截面独柱墩形式，且一般配备纵向钢筋和螺旋箍筋。纵向钢筋主要协助混凝土承受压力及可能存在的微小弯矩；螺旋箍筋则使截面中间部分混凝土成为约束混凝土，提高了桥墩的承载力和延性[1]。

同时我们亦发现少数BF+，AI-2-菌株存在，说明形成BF的形成可能存在其他调控通路。我们推测AI-2信号是促进BF形成的条件之一，但不是全部条件，CRS表葡菌BF的形成应该是多通路共同调节。本研究也证实无论何种通路形成BF，鼻渊舒口服液均可有效拮抗。

早期混凝土连续箱梁桥圆截面独柱墩施工过程中，因钢筋放样误差、施工细节考虑不周全等原因会造成纵向钢筋或螺旋箍筋未达桥墩顶部的情况，其对桥墩全截面抗压承载力的影响可能并不大，但由于独柱墩顶部处于局部承压状态，在中间承压区混凝土的横向膨胀作用下，独柱墩外围混凝土在环向会产生拉应力，当独柱墩顶部压力达到一定数值时，混凝土极有可能发生开裂，而柱顶螺旋箍筋的缺失将进一步加剧裂缝的开裂扩展趋势，给桥梁结构安全带来巨大的隐患。

1 工程概况

某高速公路桥梁上部结构为4×20m现浇钢筋混凝土连续箱梁，设计荷载公路-Ⅰ级。下部结构中间墩采用圆截面独柱墩形式，桥墩直径为1.2m，混凝土强度等级为C30。纵向钢筋采用HRB335，直径25mm，螺旋箍筋采用R235，直径10mm。圆截面独柱墩顶部配筋如图1所示。

图1 圆截面独柱墩顶部配筋(单位：cm)

经检查，发现该桥盆式支座下方未设垫石，下支座板直接锚于桥墩顶面，且9根独柱墩中有4根顶部混凝土发生开裂，开裂位置为盆式支座下座板角点对应的桥墩表面，裂缝长度为15～40cm，宽度为0.2～2mm。

为探明该桥独柱墩顶部混凝土开裂的原因，利用钢筋探测设备对独柱墩进行了无损检测，检测发现以下问题。

(1) 独柱墩纵向钢筋未按照设计要求配置，顶部约50cm范围内无纵向钢筋。

(2) 独柱墩螺旋箍筋未按照设计要求配置，墩顶缺失长度为40～60cm。

2 独柱墩顶部混凝土开裂分析

2.1 独柱墩全截面抗压承载力

根据规范，对于配有纵向钢筋和螺旋箍筋的桥墩，其承载力计算公式如下[2]：

在图2中，商业银行与政府方成立基金，在项目公司中充当社会资本方的角色。政府引导基金通常以股权、债权、股+债方式投资于PPP项目公司，通过项目公司还本付息、政府关联企业回购股权/基金份额等方式进行退出。

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(1)

式中，Acor为核心混凝土面积；k为间接钢筋影响系数；fsd为螺旋箍筋抗拉强度设计值；Aso为螺旋箍筋截面积计算值；为竖向主筋抗压强度设计值；为竖向主筋截面积。

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根据式(1)计算得到原设计水平下该桥中间独柱墩的正截面抗压承载力为16168.3kN，在纵向钢筋和螺旋箍筋缺失，即单纯考虑混凝土全截面抗压的情况下，其抗压承载力为14046.7kN。根据原桥梁结构设计计算得出该桥中间墩在恒载和车辆活载组合作用下承担的最大压力为4350kN，远低于以上数据，可见该桥独柱墩的竖向抗压承载力设计值是满足要求的。因此，可以判断该桥独柱墩混凝土开裂的原因应为独柱墩顶部处于局部承压状态，外围混凝土表面在环向拉应力作用下发生开裂。

2.2 独柱墩顶部应力分布特征及开裂分析

为分析独柱墩顶部混凝土在纵向钢筋和螺旋箍筋缺失情况下的应力分布特征及数值大小，此处将借助有限元软件ANSYS建立独柱墩素混凝土模型[3- 4]。混凝土采用SOLID65单元进行模拟，抗拉强度ft=1.43MPa，弹性模量Ec=3×104 MPa。桥梁竖向荷载以均布荷载的形式施加于独柱墩顶部，均布面积大小取盆式支座下座板的面积大小。

经计算，得到独柱墩在2.1节中所述最大竖向荷载作用下顶部混凝土的主拉应力云图，如图2所示。

图2 独柱墩主拉应力云图(单位：MPa)

由图2可知，独柱墩顶部部分区域混凝土承受着较大的主拉应力，即第一应力。为研究该区域混凝土第一应力的环向分布特征，可利用ANSYS路径操作功能来提取该区段混凝土第一应力在所选取的环向路径上的具体数值。环向路径的选取方式为：在桥墩顶部从上往下分别提取4个截面并依次编号为1～4#，各截面至桥墩顶面的距离分别为20cm、30cm、50cm和80cm，根据对称特性，每个截面应力路径长度取半个圆周长，如图3所示。

图3 应力数值提取环向路径示意(单位：cm)

根据ANSYS分析结果，得到混凝土表面第一应力环向分布曲线，如图4所示。

中职卫生类学校的化学老师基本上形成一个共识：无机化学知识相对比较枯燥，学生较难理解。教师教得很艰辛，尤其讲到一些重要的概念的时候，学生不明白那么对后续无机化学的学习是有非常不好的影响。那么这时候就需要教师多联系实际，举一些生活中常见的例子去协助学生理解无机化学的重要知识。

图4 独柱墩顶部混凝土表面第一应力环向分布曲线

由图4可知，独柱墩顶部混凝土表面第一应力分布特征如下：

(1) 随着所取截面位置与桥墩顶面距离的增加，混凝土表面第一应力呈减小趋势且渐趋均匀，到3#截面处，各点第一应力已相差较小，4#截面处各点的第一应力已基本持平。

(2) 第一应力最大值的位置为盆式支座下座板角点对应的径向位置，即半圆周长的1/4和3/4位置处；第一应力最小值的位置为盆式支座下座板边中点对应的径向位置。

为分析独柱墩顶部混凝土表面第一应力沿竖向的分布规律，参照环向应力分析结果，取以图3所示A点及C点为起点的竖向路径并分别编号为1#、2#，根据圣维南原理，竖向路径长度取一倍的桥墩截面直径。从环向应力的分布结果可知，1#竖向路径为桥墩顶部混凝土的最小第一应力线，2#竖向路径为最大第一应力线，其他竖向路径上的第一应力线介于1#路径与2#路径之间。通过ANSYS计算，得到独柱墩顶部混凝土表面1#与2#竖向路径的第一应力分布曲线，如图5所示。

图5 独柱墩顶部混凝土表面第一应力竖向分布曲线

由图5可知，桥墩顶部混凝土表面第一应力从顶面开始向下快速增加，在距顶面约30cm处达到最大值，而后慢慢下降，到距顶面一个截面直径处，第一应力已接近于0。根据混凝土破坏的最大拉应力理论，当混凝土承受的任一方向主拉应力达到极限值[ft]时即发生开裂。其表达式为

将普查绩效各指标对每一等级的具体隶属度值与其对应权重相乘，结果按照评价主要因素划分进行汇总，得到对应等级下评价主要因素指标的集中模糊复合物元Rb：

σ1(σ2,σ3)≤[ft]

(2)

C30混凝土极限拉应力取其抗拉强度设计值1.43MPa[5]。在所取1#竖向路径上，混凝土的第一应力未超过材料限值；在2#竖向路径上，根据模型各单元节点第一应力计算结果推算，有约17cm长度范围的混凝土第一应力超过限值，该区域范围内的混凝土极易开裂。若开裂位置处存在螺旋箍筋，混凝土的拉应力将转移给螺旋箍筋，而当螺旋箍筋缺失时，混凝土将因拉应力未能实现转移而使开裂趋势更加严重。

3 独柱墩维修加固

根据上文对该桥独柱墩开裂成因的分析结果，拟选用体外应力加固技术对该桥所有独柱墩进行加固[6]。首先，对桥墩顶部加固区域混凝土表面进行处理，之后采用粘刚胶在外围加装钢套管。通过扭转钢套管肋板上预留的螺栓完成一定预应力的施加，如图6所示。

图6 钢套管加固示意图

该桥独柱墩选用钢套管加固技术的原因主要有以下几个方面[7]。

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(1) 对于新增设的钢套管，其作用与桥墩内部配置的螺旋箍筋类似，可使包裹区域的混凝土成为约束混凝土，阻止其横向膨胀，提高了桥墩的承载力和延性。

水利普查文件材料的归档应该符合如下要求：①纸质文件材料归档，应该字迹工整、数据准确、图样清晰，签字盖章、日期等完整齐备。书写和装订材料应符合耐久性要求。翻译为少数民族文字的水利普查文件材料，应将原件及翻译文一同归档。②实物与音像文件材料归档，应该规定注明时间、地点、事件、人物等相应的文字说明。③电子文件材料归档，应符合 《电子文件归档与管理规范》的要求。

(2) 预应力的施加可使钢套管与原混凝土结构有效地结合，充分发挥钢套管材料的强度优势。

(3) 预应力钢套管加固技术属于主动加固[6]。预应力的存在可以抵消裂缝中的部分荷载效应，改变墩身受力状况，同时对已存在的裂缝进行补救，防止已有裂缝的发展和新裂缝的产生。

本次加固过程中，钢套管钢板采用Q235，厚2cm、高120cm。采用8.8级M22螺栓12个，每个螺栓的预拉力P取为150kN。钢套管施加于独柱墩表面的预压应力σ0与螺栓预拉力P的关系式为

σ0dh=nP

(3)

式中，d为加固墩截面直径；h为加固用钢套管高度；n为钢套管螺栓的个数。

根据式(3)可知，此时钢套管施加于独柱墩表面的预压应力σ0为1.25MPa。用ANSYS进行计算分析时，可通过在独柱墩加固区域表面施加均布压应力来模拟钢套管对混凝土墩的作用。结果表明：在最大竖向荷载和钢套管预应力的组合作用下，1#、2#竖向路径上的最大第一应力分别为0.605MPa和0.584MPa，具体第一应力曲线如图7所示。

图7 加固后1#、2#竖向路径第一应力曲线

由图7可知，加固后独柱墩顶部混凝土表面的第一应力已明显减小，远低于其抗拉强度限值1.43MPa，而在距独柱墩顶面40cm以下，混凝土表面第一应力已小于0。

4 结论

本文基于桥梁实例中圆截面独柱墩顶部钢筋缺失的情况，采用ANSYS建立理论模型进行分析，结论如下：

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(1) 最大竖向荷载作用下，独柱墩顶部混凝土表面约一倍截面直径范围内的第一应力值大于0。

(2) 最大竖向荷载作用下，独柱墩顶部盆式支座下座板角点对应的混凝土表面有约17cm长度范围的主拉应力超限。

该分析结果与圆截面独柱墩混凝土的实际开裂情况相吻合。根据独柱墩顶部混凝土的开裂特点，采用预应力钢套管加固技术对该桥所有独柱墩进行维修加固，预应力的施加可以对已存在的裂缝进行补救，同时防止裂缝进一步发展，取得了较好的维修加固效果。

参考文献

[1]叶见曙.结构设计原理[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]JTG D62—2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2013.

[4]高丽,曾晓云,王勇.基于ANSYS的钢筋混凝土梁非线性分析若干问题研究[J].水利与建筑工程学报,2011,9(2):92- 97.

[5]GB 50010—2010.混凝土结构设计规范[S].

[6]JTG/T J22—2008.公路桥梁加固设计规范[S].

[7]曹兴,魏洋,李国芬,等.钢筋混凝土桥墩加固与修复技术研究[J].施工技术,2011,40(15):60-64.

Research on Single Column Pier Cracking and Reinforcement Measures of Bridge Circular Section

JIN Shian1,*， LIU Qiwei2

(1. Jiangsu Yangtze Bridge Co., Ltd.,Jingjiang 214521, China; 2. School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China )

Abstract: For the cracking of the top of single column pier of a expressway bridge circular section due to the loss of spiral reinforcement,the model of single column pier is established by using the finite element software ANSYS, and the stress distribution characteristics of the top concrete surface of single column pier under the vertical load of the bridge are analyzed in detail.It is found that the vertical path corresponding to the concrete surface of the bottom plate corner of the basin type support is the position of the maximum main tensile stress line, and under the maximum vertical load of the bridge, the main tensile stress value of the concrete exceeds the limit by about 17 centimeter. According to the cracking feature of these single column piers, prestressed steel sleeve strengthening technique was picked. Uniform pressure was put on the concrete surface of corresponding strengthening section of the single column pier to simulate the action of steel sleeves, and it was found that the prestress of steel sleeves could effectively lower principal tensile stress on the concrete surface of single column piers and thusly an evident strengthening result can be achieved.

Key words: single column pier of round section;cracking;principal tensile stress; prestressed steel sleeve

中图分类号：U445.71

文献标识码：A

文章编号：1672-9889(2019)02-0036-04

采用日期：2018-04-24

第一作者：金世安(1991— )，男，硕士，主要从事高速公路桥梁管养工作。

[责任编辑 徐 静)