1、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 ( CFR
2、P) 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
3、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
4、 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
5、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
6、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
7、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
8、 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
9、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
10、 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
11、 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
12、, 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
13、 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
14、 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 设 计1) 增 大 混 凝 土 强 度 等 级在 设 计 中 可 以 考 虑 适 当 增 大 混 凝 土 的 等 级 , 提 高 其 抗 拉 设 计 强 度 , 在一 定 程 度 上 可 以 避 免 裂 缝 的 产 生 。2) 增 加 分 布 钢 筋虽 然 分 布 钢 筋 数 量 变 化 对 顶 帽 受 力 影 响 不 大 , 但 是 加 密 分 布 钢 筋 可 以 增大 钢 筋 对 混 凝 土 的 环 箍 作 用 ,并 且 使 顶 帽 的 整 体 性 更 强 。,
