徐　晨　吴　艳

(1.中国市政工程西南设计研究总院有限公司　成都　610081;

2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

花瓶式桥墩竖向开裂成因分析及预应力加固方法探讨

徐晨1吴艳2

(1.中国市政工程西南设计研究总院有限公司成都610081;

2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要以某高架桥花瓶式桥墩墩顶产生竖向裂缝为背景，运用有限元的方法对桥墩进行实体建模，通过对墩顶范围应力结果的分析，判断产生竖向裂缝原因为横向受力主筋数量不足。综合考虑目前桥墩裂缝几种常用加固方法的不同适用性，根据产生裂缝的原因，提出了增大桥墩截面施加预应力的加固方法，能有效改善花瓶式桥墩的应力状态，提高其抗裂性和承载能力。

关键词花瓶式桥墩竖向裂缝加固预应力

花瓶式桥墩因造型优美、占地空间小等优点，近年来在城市桥梁中被广泛运用。然而，花瓶式桥墩受力比较复杂，采用常规设计理论和方法易导致一些问题。本文以某城市高架桥花瓶式桥墩出现裂缝为工程背景，通过有限元实体建模进行应力分析，判断花瓶式桥墩开裂的原因，并提出采用预应力加固处理的设计方案。

1工程概况

某高架桥工程的起点桩号为K3+646，终点桩号K3+761，全桥长115 m。采用分离式左右双幅桥，每幅桥宽13 m。高架桥上部结构采用鱼腹式预应力混凝土连续箱梁，下部结构均采用花瓶薄壁式桥墩和群桩基础，桥跨布置为30 m+45 m+30 m变截面预应力连续箱梁，其下部桥墩编号为Z1，Z2，Y1，Y2。设计荷载：城-A级。

预应力混凝土箱梁采用C50混凝土，钢筋混凝土薄壁墩采用C40混凝土，承台采用C30混凝

土，钻孔桩采用C30水下混凝土。全桥上部结构施工采用满堂支架现浇一次落架成型。桥墩在设计中按照平面杆系结构进行配筋，桥墩顶部布置10B32横向受力主筋。

该桥梁通车运营2个月后，在一次检查中发现4个桥墩侧面均出现不同程度的竖向裂缝，且在桥墩顶部贯通，裂缝宽度多在0.2～0.3 mm之间，见图1。

图1花瓶式桥墩侧面裂缝分布图(单位：cm)

3结语

(1) 本文从风险的角度来进行施工组织设计，提出基于风险的桥梁施工设计流程，希望达到科学设计的目的。这一流程主要是施工组织设计与风险设计的有机结合，是对桥梁设计和施工方法的一个补充。

(2) 按照提出的设计流程，对每一个步骤进行理论分析，特别是对风险概率估计和风险损失估计，通过数学以及统计的方法达到量化的目的，为以后的风险评价提供依据。

(3) 面对各种风险，采用了包括工程技术在内的多种对策，达到科学应对风险的目的。

参考文献

[1]谢海涛.桥梁施工风险评估适用方法研究及其在钻孔灌注桩施工中的应用[D].长沙:中南大学，2009.

[2]GB 50153-92公路工程结构可靠度设计统一标准[S].北京：中国标准出版社，2008.

[3]吴煜,李从东.二拉平原则(ALARP)应用分析[J].山东财政学院学报，2005(3):47-49.

2花瓶式桥墩裂缝原因分析

对4座桥墩裂缝形态进行仔细观察，不难发现，每条裂缝发展方向基本一致，且每条裂缝之间的距离基本相等，墩顶裂缝与桥墩两侧面竖向裂缝贯通。经分析，这种裂缝是典型的受力裂缝，桥墩顶部横桥方向受到很大的拉应力作用[1]。

采用有限元软件MIDAS FEA对桥墩进行实体建模，承台处进行固结处理。建模仅考虑混凝土作用，根据计算所得混凝土拉应力产生的拉力全部由钢筋承受来计算钢筋用量[2-3]。

按照承载能力极限状态进行计算，其支点反力组合设计值=1.2×恒载+1.4×活载=1.2×7 653+1.4× 1 322=11 034.4 kN。

计算结果见图2。

图2花瓶式桥墩应力计算结果

最大应力在梗腋倒角处，应力值为14.02 MPa，取桥墩中心线截面作为验算截面，各截面正应力值见表1，各截面正应力分布图见图3。

表1　桥墩中心线各截面正应力值

其中应力正值为拉，负值为压。

图3桥墩中心线处的各截面正应力分布图

墩顶80 cm范围内拉应力面积S=3.269 MPa·m。

N=应力图中拉应力面积S×桥墩的厚度L=3.269 MPa×1.3 m=4 249.7 kN。

考虑该拉力全部由钢筋承受，所需钢筋面积为A=4 249.7 kN /280 000 kPa =0.015 17 m2。

按原设计配B 32钢筋，至少需要(0.015 17-0.002 813)m2/0.000 803 84 m2=19根。

显然，桥墩顶部横向受力钢筋不足是桥墩产生竖向开裂的原因。

3加固方案的选择

3.1　常规加固方法

(1) 粘贴钢板加固法。用粘贴剂和锚栓将钢板粘贴锚固于混凝土结构受拉面，使钢板与加固混凝土结构形成整体，以达到提高结构承载能力的目的。

(2) 粘贴碳纤维布加固法。用树脂类材料把碳纤维布材或板材粘贴于混凝土结构或构件表面，形成复合材料体，通过碳纤维布与结构的协同工作，达到对结构补强加固及改善受力性能的目的。

(3) 预应力加固法。是采用在桥墩受拉区的两侧施加预应力束，达到抵消混凝土受拉区的拉应力和卸载的作用，从而较大幅度提高梁的承载能力。

前2种加固方法施工简便，对桥墩外形改变小，由于仅在结构表面采取加固措施，是一种被动加固方法，只能承受活荷载作用，无法对恒载作用产生的原裂缝进行加固。第3种加固方法在增大截面的同时增设预应力束筋，通过提高结构预应力储备，从而能够抵消一部分由于恒载效应而产生的裂缝，提高桥墩的刚度和承载能力，是一种比较积极的加固方法[4]。

3.2　加固方法的选择

该桥墩顶部横向受力主筋数量不足是产生竖向裂缝的原因，经比选采用预应力钢束的加固法。先在花瓶薄壁墩两侧原混凝土表面凿毛和种植钢筋使新旧混凝土紧密连接为整体，将花瓶薄壁墩加厚和加宽形成新盖梁(见图4)，在新增混凝土内部预留预应力管道，然后在薄壁墩横向两端张拉预应力钢束。

图4桥墩新盖梁结构图(单位：cm)

每个盖梁设6×(8-15.24)预应力钢束，沿桥墩横向布置(见图5)，钢绞线标准抗拉强度fpk=1 860 MPa,所有钢束均采用单端张拉,钢绞线张拉锚下控制应力为σcon=0.75fpk=1 395 MPa。张拉采取控制应力和钢束伸长量双控，各钢束设计引伸量为3.68 cm。

图5新增预应力钢束布置图(单位：cm)

由于桥墩加固施工期间不能中断交通，因此预应力张拉时，在张拉端前方施工支架上必须放置足够强度的挡板和安全网，以防止夹片及钢绞线飞出，伤及行人及车辆[5]。

3.3　完成加固后效果

按照承载能力极限状态，对加固后的桥墩重新进行实体建模计算，可见采用6×(8-15.24)预应力钢束对桥墩施加张拉力时，墩顶出现拉应力区域不明显，表明墩顶施加了预应力后基本抵消了原桥墩存在的拉应力，加固方案取得了良好的效果。

4结论

(1) 花瓶式桥墩因造型优美、节约桥下空间而广受大家的青睐，然而在设计过程中，采用平面杆系模型对其进行受力分析及配筋设计时，经常导致横向受力主筋数量不足的问题。

(2) 对于花瓶式桥墩这类受力复杂的结构，需要采用实体模型进行应力分析，并根据混凝土中产生的拉应力全部由钢筋承受的原则来配筋，才能满足结构设计的要求。

(3) 桥墩加固的方法很多，在实际应用中应根据裂缝产生的原因进行比选。在不损坏花瓶式桥墩美观的前提上，本文提出了采用增大截面施加预应力的加固方法，能有效改善花瓶式桥墩的应力状态，提高其抗裂性和承载能力。

[1]JTG/T J22-2008公路桥梁加固设计规范[S].北京：人民交通出版社，2008.

[2]邬晓光.公路桥梁加固设计规范：应用计算示例[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3]刘国明.花瓶式混凝土桥墩裂缝成因分析及加固方法研究[J].交通世界，2010(7)：137-138.

[4]邓勇诚.花瓶薄壁墩预应力加固技术研究[D].广州：华南理工大学，2009.

[5]JTG/T J23-2008 公路桥梁加固施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2008.

Analysis on the Cause of Vase Pier′s Vertical Cracks and

Discussion on Strengthening Method of Prestress

XuChen1,WuYan2

(1.Chinese Southwest Municipal Engineering Design & Research Institute Co.,Ltd., Chengdu 610081, China;

2.Guizhou Transportation Planning Survey & Design Academe Co.,Ltd., Guiyang 550081, China)

Abstract：Based on a case of vertical cracks on a viaduct's vase piers, we used the finite element method for solid modeling of the pier.,Through analyzing the result of stress on the top range of pier, we found out the cause of vertical cracks was lack of transverse reinforcement quantity. We considered the current bridge pier cracks different applicability of several common reinforcement methods. According to the causes of the cracks, we proposed the reinforcement method of increasing pier's section and applying prestress, which could effectively improve the vase pier stress state, its crack resistance and bearing capacity.

Key words:vase pier; vertical crack; reinforcement; prestress

收稿日期：2015-05-30

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.013