第35卷第4期
2007年8月福州大学学报(自然科学版)Journal of Fuzhou University (Natural Science )Vol .35No .4Aug .2007
文章编号:1000-2243(2007)04-0588-06
胡昌斌，张涛，孙晓亮
(福州大学土木工程学院，福建福州 350002)
摘要：以福建省某斜交U 型桥台台身裂缝病害为例，结合现场勘查、钻孔取芯、三维有限元分析等手段和方法对桥台裂缝病害成因、正常和超载条件下的力学工作机理进行了受力分析.并对一般U 型桥台随斜交角度和宽高比的力学工作机理变化规律进行了探讨研究，提出了相应加固方案，评价了加固效果，得到一些有益结论，可为斜交U 型桥台的设计和加固提供参考.
关键词：桥台；台身破裂；有限元分析；超载；加固
中图分类号:U442.54文献标识码:A
M echan is m ana lysis on fractures and re i n force of a skew abut m en ts
HU Chang -bin,ZHANG Tao,S UN Xiao -liang
(College of Civil Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350002,China )
Abstract:The abut m ents of a bridge in Quanzhou adop ted U -shape abut m ents with 25ske w angle .After 4years opening t o traffic,there have been f ound s ome fractures at abut m ent capp ing of the t w o obtuse angles .The fractures become more and more narr ow fr om t op t o bott om.After scheduled moni 2t oring,the fractures were f ound t o have the distinct currency t o devel op.Basing on the field settle ment observati on and core drilling,using finite ele ment t o analyze the stress and the effect of reinf orce ment,reas ons of fractures can be f ound .Then the reinforce ment sche mes are br ought for ward .The results of text can make reference for the si m ilar p r oble m s .
Keywords:abut m ent;body fracture;FF M analysis;over l oading;reinforce ment
U 型桥台是重力式桥台中普遍采用的一种型式,U 型桥台构造简单，不需要用钢筋，施工简便，建筑材料丰富，可以由混凝土、片石、块石或粗料石等浇筑或砌筑，主要是依靠桥台自重及台内填土重量来维持桥台的稳定性，缺点是桥台体积和自重较大，对地基要求较高.此外两个侧墙之间也容易积水，结冰后
冻胀，或者降低填土的c,<；值，增大土压力，引起桥台开裂[1～5].
U 型桥台在福建省桥梁中应用非常普遍，特别是在山岭重丘区，多为实体U 型桥台.同时，受地形地貌的限制，多为斜交U 型桥台.本文以福建某斜交桥台台身裂缝为例，对其形成机理进行了判断和原因分析，并论证了预应力锚索对拉桥台两侧墙加固技术的可行性.
1 工程概况
图1 桥梁立面图(单位:m )
Fig .1 Elevati on vie w of bridge (unit:m )
福建省泉州某桥处于路线转弯处，路线前进
方向与水流方向成25°交角，桥梁斜交斜做，桥
台斜交角度25°(如图1、图2所示).该桥设计
荷载为汽车-20级，挂车-100级.路面净宽
14.0m ，桥面全宽16m ，长20m ，上部结构为简
支T 梁(1-20)，上铺20c m 整体化现浇混凝土
铺装层，在桥台处设置伸缩缝，下部构造采用重
收稿日期:2006-08-28
作者简介：胡昌斌(1974-)，男，博士，副教授.
第4期胡昌斌，等：斜交U
型桥台台身破裂病害机理分析与加固设计图2 现场示意图(B ,D 处桥台出现裂缝)Fig .2 Plain sche matic diagra m of bridge 力式U 型桥台，刚性扩大基础,U 型桥台及刚性扩大基础均
采用20号片石混凝土，台帽采用25号钢筋混凝土.该桥于
1999年12月竣工,2000年1月正式通车运营.2004年12月,
在两个U 型桥台台帽的钝角处均出现裂缝，桥台裂缝台帽处
最为严重，并且自上而下逐渐减小，通过裂缝的记录数据表
明，裂缝有轻微错动，同时有向下发展趋势.
李克勤天梯梁静茹昆明演唱会为探讨桥台病害原因并提出加固方案.本研究采用现场
踏勘、标高观测、台身钻孔取芯，结合竣工图纸及桥梁设计资
料，对桥梁上部结构及桥台进行有限元分析等多种手段对之
进行了分析研究.2 现场勘查
2.1 桥台裂缝观测
现场踏勘发现，两桥台均有裂缝产生，且均在两桥台的各自钝角处(如图2中B 、D 处)出现裂缝，从外
表面来看，裂缝位置从台帽后缘处开始，向下垂直(稍微往后倾斜)发展.并且自上而下逐渐减小，通过裂缝的记录数据明显发现，裂缝有轻微的上下错动和内外错动，而且有局部压碎现象，同时有继续发展迹象.裂缝最大宽度达2c m ，从上至下有形成贯通缝的趋势，局部有较长的通缝发生；裂缝总长已达10m 左右，桥台裂缝台帽处最为严重.两桥台裂缝情况基本类似，但B 侧桥台的混凝土压碎范围更大.
从裂缝表观总结来看有以下几个特点:①两桥台钝角处对称出现裂缝;②沿台帽边缘相对垂直向下发展;③裂缝上大下小发展.
按照斜角板桥受力的传荷机理，上部荷载应该沿板短边、钝角传递，但本桥台病害却在相反位置(板的锐角和桥台钝角)出现病害状况，而且对称，且裂缝相对垂直，上大下小，从而可以直接排除地基沉降引起病害的原因，综合判断后，初步认为病害应与受力有关.
从桥面来看，又由于处于坡段和转弯处，首先怀疑会不会由于桥台标高四点不均，引起墩帽处受力不均集中力过大.
2.2 桥台顶面标高观测与荷载计算
表1 桥台顶面标高测量数据
Tab .1 M ea sure m en t da t a of abut m en t he i ght 测点A B C D h 标高/c m 067.8542.0-15.55
由于原桥台设计资料不全，桥台顶面设计标高无从得知，仅对现场各桥台两端顶面进行观测(见图2).取A 点标高为基准点，观测结果见表1.
由表1可知，桥台顶面存在高度差,
图3 桥梁计算分析模型
Fig .3 Analysis model of bridge
由于桥面具有一定坡度，比较两桥台的高度差并
无意义，但对于同一桥台，桥台顶面均有明显的
高度差，且两桥台都是下游侧顶面偏低，其中C
点相对于B 点的高差达25.85c m.
桥梁的上部荷载由桥面板自重、桥面铺装层
自重以及交通荷载构成.
针对桥台标高数据，在正常工作条件下，用
桥梁计算分析软件对该桥梁上部结构进行特性分析，其上部结构分析模型如图3所示.计算表明，左右半幅的荷载基本相同，各T
梁下的荷载相差不多，因此可推断该桥台的破坏并不是由于标高不一致，导致行车荷载的分布不均所引起的剪切破坏.・985・
福州大学学报(自然科学版)第35卷
2.3
台身材料取芯图4 裂缝纵深斜向发展Fig .4 Devel opment of crack in abut m ent
sweet龚俊由于在桥台顶部台帽底部混凝土有压碎现象，故有必要
对台身混凝土取芯，进行混凝土强度测试，看是否满足设计
要求.由于桥台施工时是分层施工，故对各施工层取芯，两侧
各取5个，做成试件并进行了抗压强度测试.实验结果表明,
桥台表面混凝土强度满足设计要求，均达到C25的强度标准.
但取芯发现桥台内部片石较多.由此可排除病害是由于表面
混凝土强度不符合设计标准造成的可能.
由于前面的取芯为表面混凝土的芯样，为探究裂缝的特
性和发展趋势，随后又对准裂缝进行深度取芯，经在裂缝处
取芯发现，裂缝在台身内并非垂直发展的，而是斜向台后方
向发展(见图4).3 桥台病害机理分析
3.1 初步判断
实践证明，由于施工不符合要求，常引起工程病害，材料强度不符合要求也是引起病害的一个主要原因.由现场取回的混凝土芯样做成标准试件，进行抗压实验，实验结果表明，桥台混凝土强度满足设计要求.由此可排除病害是由于混凝土强度不符合设计标准造成的可能.另外，根据竣工图纸，桥梁各个部分也基本符合设计要求，由此确信病害并非由结构施工不当所引发的.由于基础松软或沉降不均匀而引起的裂缝，一般为从基础向上发展至墩台上部结构的裂缝；本例恰巧相反，而且左右对称，基本可以排除由于基础引起病害的原因.从裂缝分布对称的角度，和出现局部压碎带的情况来分析，基本可以断定病害与受力有关.相比桥台常规病害和以上分析可以看到，本例斜交桥台病害有新的特点，病害原因并不直观，相对复杂，需结合现场踏勘资料，和进一步室内理论分析综合确定.
3.2 桥台力学工作机理分析
3.2.1 有限元模型建立
为进一步探讨斜交桥台台身的受力机理，应用Ansys 软件对桥台的受力特性进行有限元分析.模型采用s olid65实体单元模拟片石混凝土和钢筋混凝土.相关参数如表2、表3.
表2 台帽处钢筋混凝土力学参数
Tab .2 Re i n forced concrete m echan i cs
param eters of abut m en t
E /GPa 泊松比
ρ/k N ・m -3250.1725表3 台身片石混凝土力学参数Tab .3 Fl agstone concrete m echan i cs param eters of abut m en t E /GPa 泊松比ρ/k N ・m -321
0.167
24图5 U 型桥台有限元模型
Fig .5 FE M model of U shape abut m ent
桥台沿线方向长12.5m ，正宽18.4m ，高12m.
考虑到计算时，刚性扩大基础增大了求解资源，且
由于裂缝是自上而下发展，桥台底部开裂并不明显,
故在建立桥台的模型时不考虑刚性扩大基础，在桥
台底部施加全约束.模型网格划分如图5所示.
考虑到桥梁的上部荷载是由桥面板传递至台
帽，再由台帽经桥台传递至基础，桥台同时受上部
荷载与桥背土压力共同作用.
桥梁上部荷载等效为局部荷载作用于台帽上,
而桥背土压力沿桥背深度发展成线性分布.・
095・
第4期胡昌斌，等：斜交U 型桥台台身破裂病害机理分析与加固设计由于目前的超载现象严重，针对这一现象，分两种工况进行分析.一种工况是正常设计交通荷载；另一种工况为交通荷载超出设计荷载.并分别按有台帽和无台帽两种加载情况对台身混凝土受力进行了计算.
3.2.2 有限元计算结果分析
1)台帽混凝土及台帽下台身混凝土受力分析.有限元计算结果表明，由于桥台钝角处土压力比锐角处大，和桥台结构的不对称，当交通荷载为正常设计荷载时，桥台台帽钝角边缘处的拉应力最大(见图6)，其节点的第一主应力最大值约为0.80MPa，而25号钢筋混凝土的抗拉强度是1.31MPa，说明在设计交通荷载作用台帽强度满足要求.台帽下片石混凝土的应力其最大主抗拉应力为0.57MPa (如图7)，而20号片石混凝土的抗拉强度是0.66MPa，芯样强度检测报告说明混凝土强度达到要求.因此，在正常行车荷载作用下，台帽和桥台均处于安全状态
.
图6 正常荷载台帽及桥台第一主应力云图
Fig .6 Figure of the first p rinci pal stress of abut m ent under nor mal l oad
图7 超载时台帽的第一主应力云图Fig .7 Figure of the first p rinci pal stress of abut m ent under overl oad 当考虑到行车荷载超出设计荷载时，有限元计算所得第
一主应力云图如图7所示.由图7可见，台帽处的第一主应力
为0.95MPa，小于25号钢筋混凝土的抗拉强度，即在该种情
况时台帽强度仍满足要求.台帽下的片石混凝土其应力云图如
图8所示.
由图8可见，桥台片石混凝土第一主应力为0.72MPa，最
大剪应力为0.39MPa，并且最大值均出现在台帽下钝角处.其
钝角处的第一主应力是锐角处130%,τxy 是锐角处的125%.
由此说明由于结构的不对称，会导致不利位置出现在台帽下片
石混凝土的钝角处，该点处的第一主应力0.72MPa 超出了20
号片石混凝土的抗拉强度0.66MPa，钝角处的片石混凝土在
最大拉应力作用下破坏，同时局部发生剪切破坏，而桥台锐角端则处于安全状态.当桥台钝角端台帽下的片石混凝土发生破
谢依霖二胎孕肚坏后，台帽处将产生轻微的挠曲变形，由此破坏面应力将重新分布，直接导致台帽钝角处产生应力集中，使台帽也发生破坏.随着桥台台帽钝角端发生开裂，局部发展形成压碎带.由于应力在桥台上的分布整体沿着桥台高度减小而减小，这使得裂缝自上而下越来越小.
2)前墙与侧墙交界处混凝土受力分析.有限元计算结果也表明，桥台钝角处前墙与侧墙交界处混凝土拉应力明显比锐角处大，由于桥台钝角处土压力比锐角处大，和桥台结构的不对称，当交通荷载为正常设计荷载时，桥台钝角角隅处的主拉应力为0.54MPa，锐角角隅处的主拉应力为0.45MPa，其钝角处的主拉应力是锐角处的120%；当交通荷载超出设计荷载时，钝角角隅处与锐角角隅处的主拉应力比值变化较小.由此可见，钝角角隅处的主拉应力也是导致裂缝斜向往墙里发展的主要原因.
因为你爱上他综合以上可以看出本桥台病害形成的主要原因:①斜交造成的结构不对称，导致钝角处应力集中过大而不利，直接导致局部压碎带的形成.②斜交导致钝角桥台背后土压力过大，直接导致前墙与侧墙交界处内部混凝土拉裂，然后裂缝由内向外斜向发育出来，初始位置在1/3墙身位置.
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图8 超载时桥台台身第一主应力及剪应力云图
Fig .8 Figure of the first p rinci pal stress and shear stress of abut m ent under overl oad
3.3 不同桥台的受力机理分析
3.3.1 不同宽度斜交桥台的计算
基于前面的有限元模型，对高度为12m ，斜交角度为15°时，宽度分别为10、12、14、16、18、20、
22、24、26、28、
30m 的不同宽度斜交桥台进行了有限元分析，桥台第一主应力变化云图如图9、图10所示.
由图9、图10可见，随着桥台宽度的增大，第一主应力值逐渐减小，并且趋于稳定.究其原因，随着宽度的增大，桥台的整体体积增大，导致增大主拉应变减小，当宽度大于一定值时，最大拉应力稳定.
3.3.2 不同角度斜交桥台的计算低碳贝贝歌谱
计算桥台长20m ，宽11m ，高12m ，计算发现，随着桥台斜交角度的增大，第一主应力逐渐增大(如
图11)，钝角角隅处的最大拉应力值随着角度的增加而增大，而锐角角隅处的第一主应力随着角度的增大而减小，主要是由于随着角度的增加，钝角处的约束增大，而锐角处的约束减小，因而，钝角处第一主应力增大，而锐角处的第一主应力减小.在均布荷载作用下，台帽钝角处的第一主应力大于锐角处的第一主应力，随着角度的增大，这个差值增大(如图12).
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