U型桥台裂缝成因统计分析_栾建平

学报

J ourna l o f Nanc hang H angkong University

自然科学版##########N at u ral Sciences

[收稿日期]2008-12-03[修回日期]2009-02-15

[基金项目]江西省交通厅科技项目/重力式U 型桥台缺陷调查与处治研究0(200415)

[作者简介]栾建平(1967-),江西省交通工程质量监督站高级工程师。研究方向:公路工程质量监管和管理。

U 型桥台裂缝成因统计分析

q 栾建平 荣 耀 尹华杰

(江西省交通工程质量监督站,江西 南昌 330008)[关键词]U 型桥台;裂缝;影响因素;成因分析

[摘 要]文章通过调查大量的U 型桥台的健康情况,分析病害形成原因。并以昌樟高速破江小桥为例,采用有限元软件模拟破江小桥U 型桥台在运营荷载作用下的应力场和位移场,分析认为台背内土压力和桥上压力共同作用使U 台墙内产生较大的拉应力导致混凝土U 型桥台开裂。[中图分类号]U443

[文献标识码]A

[文章编号]1001-4926(2009)01-0074-05

Sta tistica l Ana lysis of th e C auses of C ra ck s of U T ype Abu t m en t

LAN Jian-ping ,RONG Yao ,YI N G Hua-jie

(The Traff ic Eng ineering Qua lit y Supervision S t a tio n o f J iang ii provi nce ,Nancha ng,J iangxi 330008,China )

K ey word s :U ty pe abut ment ;cracks ;crack factors ;cause ana l ysi s

Abstr ac t :Based o n t he i nvestigati on of U type abut m ent crack ,the crack f ac t ors of U type abut m ent crack are ana l yzed .Tak i ng the U type abut m ent of Changzhang hi ghway as an exa m ple ,where t he stress and stra i n of the U ty pe abut m ent under the work loads are si m u l a ted ,this paper co m es to t he co nc l usi on t hat t he crack proble m of t he U type abut m ent can be attri buted to the jointwork of the soil stress and bridge stress .

U 型桥台是重力式桥台最常用的形式,也是公路桥梁中采用较多的一种桥台形式,它以自重来平衡台后土压力,前墙承受桥跨结构作用力和台后土压力,并连接两边承受土压力起挡土作用的侧墙,平面上呈U 型结构。侧墙以承受土压力为主,一般不参与前墙受力。由于此类结构构造简单、受力明确、基底承压面积大而应力小、施工方便,在我国被广泛应用于地质良好的中、小桥梁中。然而,由于设计、施工等各种原因

[1-6]

,该种桥台在工程实践中的病

害较多,如侧墙倾斜外移,前墙发生裂缝,锥坡沉陷

坍塌,桥台基础被淘空等,经常性地出现这些病害,除少数由于自然灾害或人为破坏外,其主要原因是设计考虑不周和施工方法不当。通过调查我省及相邻省(市)混凝土U 型桥台的质量状况,重点调查裂缝病害,分析其产生裂缝的成因,并对典型裂缝进行了数值分析。

1 U 型桥台裂缝调查统计分析

调查了昌泰高速、昌九高速、梨温高速、九景高速、温厚高速、昌樟高速以及上饶市辖区内320国道

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改建工程、206国道、白景线省道、溪婺线省道中的U型桥台情况。总计调查了5座U型桥台,出现裂缝的有144座,占调查总数的22.3%。通过上面对昌泰等高速公路及省道中的U型桥台裂缝的调查资料,经过统计得出如下的大致结果:

根据调查统计的数字按裂缝发展方向进行分类,主要是下列三种:竖向裂缝、横向裂缝以及斜向裂缝(表1)。

表1裂缝种类统计表

顺序裂缝类型占裂缝的比例

1竖向裂缝.7%

2横向裂缝23.3%

3斜向裂缝12.0%

竖向裂缝主要表现的形态是,基本呈一垂直状。主要有以下几种展布状态:竖直(基本成一直线)、起伏(基本直线,细部有弯曲起伏)和分叉。

横向裂缝主要表现为墙面展开,基本呈一水平状。

斜向裂缝在桥台裂缝中出现的几率比较小。

按裂缝所在的部位进行分类,主要是:前墙裂缝、左侧墙裂缝和右侧墙裂缝(表2)。

表2裂缝种类统计表

顺序裂缝所在部位占裂缝的比例

1前墙30%

2侧墙70%

前墙裂缝顾名思义是出现在前墙上的裂缝,前墙是U型桥台的主要受力部分,设计人员一般较重视,按整体的U型考虑,不在其间设置必要的变形缝,桥台前墙会由于基础的不均匀下沉及温度变化引起的胀缝而产生竖向裂缝,将桥台的前墙为若干段。

侧墙裂缝即为侧墙出现的裂缝。从侧墙的断面图看,侧墙也似一根一端固定一端自由的杆件,基础底面为固定端,墙顶为自由端,侧墙尾翼顶部,都是最容易变形移位的自由端。从实践中看,当侧墙长度和高度达到8~10m以上且墙身设计得比较单薄时,在墙背土压力和车辆荷载压力作用下,翼尾部往往出现较大幅度的变形位移,明显向外倾斜,雨季台背填土湿度增大(含水量较高)时,则变形进一步加剧。

从现场的调查记录看,这些U型桥台中存在的裂缝主要有以下几种:

1)在施工中设置的施工缝没有处理好而出现的裂缝、施工时设置的变形缝(温度缝、沉降缝)没有处理好出现的裂缝以及一些微小的结构裂缝,由于施工时对水化热升温没有处理好导致的温度裂缝,由于养护不到位所成的收缩裂缝等。

2)台后土压力太大、施工质量差以及结构设计尺寸不合理等,如桥台过高过宽、恒载过大将造成前墙线刚度过小和倾覆力矩过大。

3)桥台基础产生不均匀沉降、地基土强度不均匀,如部分为岩石地基、部分为碎石土地基或软弱地基;地基土强度降低,如在桥台基础施工中未能及时切断地下水源、地下水位升高和河流冲刷淘蚀。

4)水压力增加,如台后回填砂卵石时采用灌水密实法或在雨季施工而雨水未能及时排走。

5)在我国北方冬季施工中U型桥台中空填土部分容易积水,冰冻后产生膨胀。在以上全部或部分原因的作用下,前墙与侧墙及其连接断面在恒载、活载和施工荷载作用下,将产生多种内力,如:拉力、剪力、弯矩、扭矩;而重力式桥台混凝土部分抗弯、拉、剪、扭性能较差,致使U型桥台产生裂缝或破坏。

通过调查结果分析:各个因素所占比例如图1所示,其中温度及收缩裂缝所占比例为31%,地基强度及不均匀沉降导致裂缝所占比例为11%,台背填土压实不够所占比例为21%,设计不当所占比例为5%,浇筑及养护不及时所占比例为21%,还有其它一些人为因素所占比例为11%。

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图1 U 型桥台裂缝成因统计图

2 典型U 型桥台裂缝成因分析

2.1 工程概况

昌樟高速设计为一级公路,双向四车道,上部结构为预制预应力空心板梁,双向4车道,桥梁跨度为10m ,图2为破江小桥设计图。

图2 破江小桥设计图

破江小桥(K309+260)位于丰城梅林,调查发现裂缝情况如图3。U 形桥台出现病害不仅影响公路桥梁的正常使用,而且需要加固维修[1-4]

。

2.2 本构模型的选取

采用ANS YS 对U 型桥台进行计算时,U 型桥台(片石混凝土砌体结构)单元采用六面体单元,并假定片石混凝土砌体是一种线弹性的各向均质等效材料,其本构关系:

{a }=[D ]{E }(1)

式中:{a })混凝土砌体线弹性本构矩阵;

[D ])混凝土砌体应力;{E })

混凝土应变。

图3 破江小桥(K 309+260)U 台照片

2.3 计算模型及基本假定

为了考察U 型桥台在行车荷载作用下内部的应力应变情况,并做出定性的分析,选取昌樟高速公路破江小桥的U 型桥台进行简化分析,模型依照如下尺寸进行建立,前墙长27m,高7.9m,顶面宽为0.95m,底面宽2.6m,侧墙长6.4m,高7.9m,顶面宽0.95m,底面宽2.6m ,前墙和侧墙内坡均为3B 1,侧墙与前墙垂直相交,具体尺寸参见图4计算模型图

:

图4 计算模型图

桥台墙身采用C 25混凝土,设计抗拉强度1.33MPa ,弹性模量29.5GPa ,泊松比L =0.2,质量密度Q =2400kg/m 3

,假定台内填土土质是单一的各向

同性的,填料采用粘性土,其容重为C =19kN /m 3

。U 型桥台三维有限元模型,在ANS YS 计算中单元选用空间8结点六面体单元(solid45)来模拟。填土影响按土压力考虑,整体有限元模型所受荷载类型及

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U型桥台裂缝成因统计分析大小与平面理论计算部分相一致。

假定地基整体沉降己结束,即不考虑地基变形

影响,视地基为刚性,对台身底部进行全约束(即U x

=U y=U z=0),尽量消除边界效应对模型计算的

影响。侧墙远离前墙端假定与路基完全连续,考虑

为在线路方向位移为零,也即令U z=0。侧墙外侧

因为有锥坡的作用,对有锥坡部分的侧墙外侧进行

垂直约束,即把侧墙有锥坡部分垂直墙面的方向(X

方向)的位移进行约束,侧墙顶部施加路面荷载压

力;前墙面不进行约束,前墙顶顶部施加桥面荷载和

汽车荷载;内墙三个坡面均施加随高度变化的主动

土压力。

2.4边界条件及施加荷载的确定

1)台背主动土压力计算

暂时只考虑桥台后无车辆荷载时主动土压力,

根据5公路桥涵设计通用规范6(JT G-D60-2004)

公式(4.2.3-4),那么作用在桥台后的主动土压力

标准值为:

E=1

2

B L

C H2(2)

计算结果:侧土压力系数L=0.4土压力为:

E=1

2

B L C(H-y)2

1

2

@27@0.4@19000@

(7.9-y)2)N

2)桥梁上部结构与汽车荷载传递到桥台支座上的荷载计算

设计荷载为汽-超20级,挂-120,桥梁长度10m,双向四车道,桥面铺装厚度0.19m,铺装材料容重为C=25KN/m3,桥面铺装宽带为13m,由此可计算得出桥面铺装层的重量为:

p1=C V a=25@0.19@10@13=6.175@105N

单片梁重量计算,单片梁重量为10.14吨,设计为平行架设20片梁,则梁的荷载为:

p2=20@10.14@104=2.208@106N

根据桥梁为简支结构,则桥梁上部结构传递到桥台上荷载为

p1,2=0.5@(p1+p2)=1.33@106N

汽车在桥上运营时传递给支座的荷载,采用影响线计算,计算获得一个车道的最大荷载为282kN,四个车道的折减系数为0.67,则四个车道的的荷载为p3=282kN@4@0.67=755.76k N

桥台侧墙顶面和前墙顶部结构荷载大致采用p4 =478.9kN

2.5计算结果与调查结果对比分析

利用ANSYS计算后的结果如下,以下各图分别为模型中有限元节点在荷载作用下沿X、Y、Z方向的应力和应变云图,途中数值应力的单位为Pa,应变的单位为m

。

从有限元数值模拟分析的结果可知:在应力方面,由于台内土压力作用,在侧墙和前墙的隅角处会产生拉应力集中现象,横桥向(即X方向)的拉应力

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最大值出现在前墙靠近隅角处,大小为1.16MPa ,顺桥向(Z 方向)的最大拉应力出现在侧墙靠近隅角处,大小为1.24Mpa ,由此可见,在此不利荷载的作

用下易出现前墙和侧墙拉裂的现象。

图7 Z 方向的应力云图(SZ )

由于桥台高度近8m 高,台后填土随着高度的增加会产生很大的土压力,如果再在不利的荷载下,极易造成应力集中,导致桥台出现裂缝。根据以上的分析,确定桥台竖向裂缝为台后土压力过大所致。

3 结 论

对U 型桥台裂缝的形成产生影响的因素很多,如混凝土的自身特性、温湿度等环境条件变化及混凝土施工养护工艺等多方面因素,通过调查大量的U 型桥台的健康情况,分析病害形成原因。通过对破江小桥U 台的数值计算分析可知:台背内土压力和桥上压力共同作用使U 台墙内产生较大的拉应

力导致混凝土U 型台开裂,与现场情况比较相符。

=参考文献>

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