钢筋混凝土桥墩顶帽竖向开裂原因分析及加固对策.doc

姓名：赖日升 班级：铁工1009班 指导老师：邓志勇老师钢筋混凝土桥墩顶帽竖向开裂原因分析及加固对策摘要: 钢筋混凝土桥墩顶帽产生竖向裂缝的问题已经引起人们的注意。借助大型有限元程序 ANSYS 计算得到了竖向裂缝处的受力, 并结合桥墩的实际运营状况对顶帽处竖向裂缝的内外因素进行了分析。在此基础上, 通过计算, 给出了碳纤维( CFRP) 加固后桥墩顶帽的应力大小, 确定了病害桥墩顶帽加固方案及预防措施, 为钢筋混凝土桥墩顶帽的设计、施工提供参考。关键词: 桥墩顶帽 竖向裂缝 加固对策在既有铁路和新建铁路简支桥梁的桥墩顶帽及托盘( 横桥向) 处发生了大量的竖向裂缝, 此类病害有蔓延加剧的趋势已经严重地影响到桥梁的使用, 极大地威胁了铁路交通运营的安全性。为此, 本文首先分析了竖向裂缝的产生机理, 给出了预防措施及加固方法,为存在此类病害桥梁的加固改造提供参考。1. 裂缝状况京广线某简支梁桥系1998年11月建成开通运行, 第 1 7 孔和第9孔为预应力混凝土 T 梁, 盆式橡胶支座, 第 8 孔为 48 m 下承 钢 桁 架梁, 摇轴 支 座。2000 年 8 月发现部 分支承垫石及墩顶开裂。裂缝一般在墩顶沿线路纵向南北两侧对称分布, 从支承垫石顶开始穿透支承垫石经墩帽向下发展, 且有发展趋势,裂缝最大长度为1 370 mm, 裂缝最大宽度达 0115 mm。该桥1# 、2# 、3# 墩为曲线墩, 其余墩 为直线墩。据调查发现, 直线墩裂缝一般分布在墩帽, 曲线墩在支承垫石和墩帽都出现裂缝。根据铁路桥隧建筑物设备劣化标准, 该 桥个别 墩顶裂缝病害已达A1级劣化标准。鉴于该桥运营仅1年多时间就出现该病害, 且竖向裂缝数量众多、宽度较大, 说明该病害是相当严重的。随后, 铁路运营部门对跨径相近的既有简支桥梁进行了调查, 发现此类病害桥梁很多, 说明桥墩顶帽竖向裂缝的出现并非偶然。由于桥墩顶帽裂缝所处位置及其分布具有很强的规律性, 因此有必要对其产生的原因进行分析。2. 裂缝原因分析内因1) 混凝土自身特性是产生裂缝的重要因素。由于混凝土的物理、化学性质决定了早期收缩将导致表面裂缝的发生。进入硬化阶段, 由于桥墩顶帽混凝土体积较大, 水化热将使顶帽产生温差效应, 这是导致竖向裂缝产生的一个重要原因。2) 后期应力作用下混凝土产生的徐变等也是产生裂缝的原因。在长期运营外力作用下, 混凝土的徐变将导致混凝土的力学性能下降, 裂缝的发生和发展也是可能的。3) 水泥品质、外加剂和外界环境的影响。目前建设单位对混凝土强度尤其是早期强度提出了更高的要求, 各水泥厂家为满足需要, 水泥的成份发生了较大变化, 加之早强剂、减水剂的使用, 以及由于外界环境的变化和影响, 有害离子与混凝土骨料之间的反应, 更容易造成混凝土的开裂。外因1) 设计规范和设计水平问题。由于设计规范对桥墩顶帽局部受力没有明确的变形裂缝规定, 混凝土开裂问题尚未成为设计控制指标, 并且大多数设计单位普遍采用标准图, 由此造成了此类病害的普遍性。2) 施工质量控制不严,由于目前施工单位的素质良莠不齐, 加之施工分包现象严重, 很难保证桥墩混凝土的施工质量。另外, 如果标高控制不严, 将出现支座不平顺现象, 导致桥墩顶帽受力不均, 将加剧竖向裂缝的发展。3) 车辆的横向摇摆力、轨道的不平顺影响, 以及外部荷载的低周长期作用将导致混凝土材料的低周疲劳条件下抗拉强度的降低, 裂缝更容易发生。竖向裂缝处受力分析三维实体有限元模型建立计算模型依据跨径32 m 预应力混凝土梁, 梁全长3216 m。TPZ 标系列 专用盆式橡胶支座。材料特性:设计支承垫石为C40 混凝土, 采用弹性模量 E = 313 1010 Pa, 质量密度2 500 kgPm3, 泊松比 L= 012, 设计抗拉强度取2114 MPa; 墩帽及托盘设计为 C20 混凝土, 采用弹性模量E = 218 1010 Pa, 质量密度2 300 kgPm3, 泊松比L= 012, 设计抗拉强度取 1138 MPa。钢筋弹性模量E = 211 1011 Pa, 质量密度7 850 kgPm3, 泊松比 L=013。单元划分: 利用 ANSYS 程序中三维 8 节点实体单元SOLID65 模拟混凝土实体结构, LINK8 单元模拟钢筋的作用, 桥墩顶帽三维有限元模型如图 1 所示。图表 1左)图表 2右)计算结果1) 桥墩顶帽应力如图2 所示, 三维有限元计算结果表明: 对于 32 m直线桥墩而言, 在支座传递的强大竖向静载和活载作用下, 桥墩顶帽与托盘连接处和两支座中间处出现较大数值的局 部横向拉 应力, 计算最大 横向拉应 力为1113 MPa。在实际工程中还应考虑混凝土硬化过程所产生的温差应力和混凝土收缩引起的应力差, 列车横向摇摆力和混凝土这种脆性材料在低周疲劳条件下抗拉强度的降低等因素, 横向拉应力将接近混凝土的实际抗拉强度, 产生裂缝是可能的, 而且裂缝的分布位置及形式与现场竖向裂缝调查结果基本吻合。2) 钢筋间距对受力的影响为得到顶帽及支承垫石钢筋间距及直径对顶帽受力影响时, 计算工况如下:钢筋 间距20 cm, 直径 10 mm; 钢筋间 距 10cm, 直径 10 mm; 钢筋间距 10 cm, 直径 14 mm; 钢筋间距10 cm, 直径 16 mm; 钢筋间距 10 cm, 直径 20mm。计算结果如表1 所示, 可见, 考虑钢筋作用后, 在墩帽底部 出 现的 最大 横向 拉应 力由1113 MPa 降为1108 MPa, 应力最大降低414 % ; 在两个支承垫石中间位置最大主应力从21048 MPa 降为 21035 MPa, 最大降幅为110 % , 总之, 二者应力变化很小, 钢筋间距和直径变化对顶帽受力影响不大, 可以忽略不计。3 竖向裂缝预防措施及加固方案