倒梯形墩墩顶劈裂裂缝病害及其处理

　　摘要:介绍一座多跨无梁板高架桥倒梯形桥墩墩顶劈裂裂缝的病害情况、原因分析及其加固处理措施，该桥梁加固的设计与施工积累了实践经验，特此成文以供同行参考指正。
　　关键词：加固，多跨无梁板，墩顶劈裂裂缝，横向预应力
　　1、墩帽裂缝概况
　　通过外观调查中发现，有相当大比例的高架桥简支桥墩墩帽，在纵桥向短边中心出现了竖向劈裂裂缝；但在横桥向长边中心未发现相同的竖向劈裂裂缝。
　　2、裂缝原因分析
　　对于在短边出现的竖向劈裂裂缝，经分析可能有以下几方面的原因：
　　（1）、上部结构反力作用下，导致墩帽短边根部混凝土局部应力集中，劈裂直至裂缝贯通；
　　（2）、施工处理措施导致，由于实际施工阶段无梁板落架时墩顶的长边中间出现了竖向劈裂裂缝，所以施工时对长边进行了预应力处理，短边没有做相应处理，随着时间的推移，短边裂缝扩展直至可见；
　　(3)、墩柱竖向承载力不足。
　　3、定性分析
　　如果是墩帽的混凝土局部应力集中问题，由于多种因素的存在，很难对墩帽的局部进行定量有限元分析，仅仅从定性的角度,采用有限元软件midas实体单元对墩帽部分进行了有限元分析。
　　根据分析结果可知，在竖向力的作用下，墩帽短边中间处局部出现拉应力区；墩帽长边中间处拉应力比较集中，主拉应力最大值约为5.1Mpa。这说明桥墩墩帽的主要受力裂缝是横桥向长边中间处的竖向劈裂裂缝。而纵桥向短边中间处的竖向劈裂裂缝可能是由于施工处理措施（长边进行预应力处理）在短边处产生拉应力和上部反力在短边根部局部产生的拉应力共同作用产生的。
　　4、墩帽横桥向竖向劈裂裂缝计算
　　通过墩帽定性分析可以看出，桥墩墩顶的主要受力裂缝是横桥向长边中间处的竖向劈裂裂缝。本次计算主要是关于高架桥在施工阶段无梁板落架时墩顶的长边中间出现竖向劈裂裂缝的计算。
　　本次计算是通过等效法，即把支座压力按从支座边缘45角向下扩散，求得计算梁高和加载长度，桥墩支座位置即为等效简支梁的支点位置。这样原横桥向长边中间处的裂缝计算即等效为一个简支悬臂梁的跨中抗弯计算，计算荷载根据支座反力和加载长度等效为均布载。
　　通过计算结果可知，实际施工阶段无梁板落架时墩顶的长边中间出现的竖向劈裂裂缝与计算结果相吻合。
　　通过计算结果可以判断，墩顶长边中间处裂缝虽然在施工中进行了处理，但该处仍然很薄弱，且墩柱箍筋配置不足，墩顶裂缝很有可能继续开展并扩展至下部墩身，所以本次桥墩加固的重点是如何改善横桥向长边中间处的主要受力裂缝的问题。
　　根据病害原因分析结果，本次加固处理措施为：
　　原施工阶段在墩顶长边电热法张拉钢筋施加预压力的处理措施效果不好，该处仍然很薄弱，且墩柱箍筋配置不足，墩顶裂缝很有可能继续开展并扩展至下部墩身，所以仍需要做横向预应力加固处理。
　　5、加固措施
　　针对原结构简支桥墩主要病害，本次加固采用在简支桥墩横桥向（长边方向）施加横向预应力的方法来改善原结构横桥向长边中间处由于拉应力超标导致的开裂问题。由于实际施工阶段无梁板落架时墩顶的长边中间出现了竖向劈裂裂缝，且施工采取了在墩顶长边电热法张拉钢筋，施加一定的预压应力，从而使裂缝弥合的措施，所以为了保证加固施工中桥墩结构的安全，本次加固只凿除原简支桥墩墩帽混凝土部分，保留原施工阶段在墩顶长边电热法张拉钢筋的处理措施部分。具体加固方法是：首先凿除原简支桥墩墩帽混凝土部分，注意保留原施工阶段在墩顶长边电热法张拉钢筋的处理措施部分，然后沿着环墩身方向每30cm设一道15X5cm竖向剪力槽，槽长60cm（注意避开原电热钢筋和钢板），然后植筋注意避开原电热钢筋和钢板），架设钢筋网，最外侧设2层共14根d=32mm的环形受力钢筋（布设形式同墩柱箍筋类似），然后浇筑40cm厚、60cm高C40混凝土截面，最后张拉横向预应力钢筋，横向预应力钢筋采用d=25mm冷拉Ⅳ级钢筋（双控），R=750Mpa，E=2X10Mpa。横向预应力沿纵桥向两侧各布置8根，共计16根。
　　6、加固措施计算
　　（1）、横桥向（长边）方向计算分析：
　　本次计算分别按两种构件进行分析控制，一种是按照预应力混凝土构件进行应力的分析控制；一种是按照钢筋混凝土构件进行承载能力和裂缝的分析控制。
　　 应力分析（按预应力混凝土构件控制）
　　本次计算采用有限元软件midas实体单元对墩柱横向部分进行了有限元分析。
　　荷载组合：结构重力+汽车
　　预应力钢筋有效预应力计算：（张拉方式为单端张拉）
　　本次加固共有4种长度的预应力钢筋，钢筋计算长度分别为：2.93m、2.84m、2.74m、2.65m，本次计算选取2.65m做为计算长度。
　　钢筋张拉控制应力：σ=0.9X750=675Mpa
　　张拉吨位：N=675X490.9/1000=331KN
　　根据计算结果，通过原桥墩结构墩顶应力分布图可知，加固后原桥墩结构墩顶长边中间处主拉应力约为1.8Mpa，主应力比原结构提高了约3Mpa，因此加固维护后原桥墩结构墩顶长边中间处的应力状态比原结构有很大改善。
　　加固后原桥墩结构墩顶整体应力分别情况较好，支座附近出现局部受拉区，主拉应力最大值约为2.6Mpa。
　　通过原桥墩结构整体应力分布图可知，加固后原桥墩结构整体应力分布情况较好。
　　通过后浇筑部分长边最外侧应力分布图可知，加固后后浇筑部分长边最外侧中间处最大主拉应力约为0.1Mpa，局部最大主拉应力约为1.4Mpa，后浇筑部分长边最外侧应力整体分布情况较好。
　　通过后浇筑部分整体应力分布图可知，加固后后浇筑部分长边处整体应力分布情况较好,中间部分最大主拉应力为1Mpa。加固后后浇筑部分短边中间处主拉应力较大，最大主拉应力值为4.2Mpa，本次加固短边部分按钢筋混凝土结构控制，具体计算详见纵桥向（短边）方向计算分析部分。
　　通过桥墩整体主压应力分布图可知，加固后桥墩结构最大主压应力为10.4Mpa。
　　 承载力计算（按钢筋混凝土构件控制）
　　本次计算是仍然通过等效法。
　　通过计算结果可知，加固后横桥向（长边）方向结构的承载能力和裂缝指标均满足规范要求。
　　（2）、纵桥向（短边）方向计算分析：
　　根据横桥向（长边）方向计算分析结果可知，加固后后浇筑部分短边中间处主拉应力较大，最大主拉应力值为4.2Mpa，本次加固短边部分计算按钢筋混凝土结构控制，计算分析仍采用等效简支梁法。
　　本次计算是通过等效法（详见短边计算等效图），即把预应力垫板压力按从垫板边缘45角向下扩散，求得计算梁高和加载长度，预应力垫板位置即为等效简支梁的支点位置。这样原纵桥向短边中间处的计算即等效为一个简支悬臂梁的跨中抗弯计算，计算荷载根据有效预应力和加载长度等效为均布载。
　　通过计算结果可知，加固后纵桥向（短边）方向结构的承载能力和裂缝指标均满足规范要求。
　　（3）、计算结论：
　　通过以上计算分析可知，加固后结构横桥向（长边）方向应力指标较加固前有很大改善，且承载能力和裂缝指标满足规范要求；纵桥向（短边）方向承载能力和裂缝指标满足规范要求。