某桥台背墙开裂分析与处理

【摘 要】背墙是桥面和台后路基过渡重要构件，背墙保证台后路基稳定性，也是桥面伸缩缝承重构件。背墙与梁体、与台后路基和相邻伸缩缝型钢需要一定工作宽度，但由于施工和养护缺陷，往往导致背墙无伸缩空间，在极端环境下背墙产生开裂，甚至导致桥面塌陷，同联固定墩柱开裂。背墙被伸缩缝、台后填土和梁体遮挡，维修牵涉环节较多，需要谨慎维修。本文通过背墙开裂分析，维修措施分析，对类似背墙病害处理提供一些经验和启发。

【关键词】背墙开裂；整体滑移；固定墩柱；盆式支座

前言

近年来，早期建设一些桥梁少量出现一些桥台背墙开裂，伸缩缝型钢挤压，甚至桥面塌陷案例。由于背墙是联系桥梁与台后结构重要构件，处理不好对桥面行车影响加大，甚至引起桥梁结构安全。对开裂背墙进行简单修补，未必能防止背墙继续开裂，本文通过某桥台背墙开裂原因分析，对桥梁背墙相关构件进行彻底维修，为类似病害维修提供一定的经验。

1 桥梁概况

某桥梁上部结构由预应力砼连续箱梁和钢筋砼连续箱梁组成，桥梁跨径为2×（4×20）+（30+30+28+19）+2×（4×20） m，下部采用柱式墩，肋板台，灌注桩基础。支座采用GPZ（II）改进型盆式橡胶支座。该桥梁设计荷载：汽车-超20级，挂车-120。该桥原设计左右幅箱梁（1号梁和2号梁）分离，后期为增大桥梁抗扭左右幅采用湿接缝浇筑为整体。检查时发现4×20m（1号孔～4号孔）钢筋砼连续箱梁联桥台背墙出现严重开裂，该联2号墩采用墩梁固结，其余墩顶设纵向滑动支座。

2 病害概况

病害出现时正值高温，气温约400C，各构件检查情况如下：

2.1 背墙病害情况

0#桥台处的背墙有较多竖向、横向和斜向裂缝，在对应梁端背墙处有2处砼开裂错层，错层下背墙与台帽无错开破损，错层上背墙向台后位移，错层高度2cm。

图1 0#台背墙裂缝示意图（单位：m）

0号台桥面伸缩缝间距较小，相邻型钢间距明显小于原伸缩最小工作宽度要求，右侧型钢明显紧贴，0号台左侧桥面伸缩缝型钢间有1cm间距。通过内窥镜检查0号台右侧梁体（1号）与背墙部分未接触。左侧梁体部分（2号）位置梁体与背墙接触。相邻4号墩伸缩缝型钢间距约2.5cm。

2.2 支座病害情况

为彻底检查病害原因，本次对全联支座进行了检查，发现多数支座有向0号台偏大滑移和四氟乙烯板脱落等。

2.3 桥墩病害情况

本次对全桥桥墩进行了检查，在右幅2号墩柱（固定墩）靠近3号孔侧发现了5条横向裂缝修补痕迹，裂缝修补痕迹向侧面延伸30-40cm，裂缝接近地面，裂缝间距20cm，裂缝修补处未见发展，裂缝处保护层约有5cm，台侧墩柱表面无此类横向裂缝。

2.4 梁体病害情况

本次对钢筋混凝土箱梁外观进行检查，未发现梁体出现裂缝。箱梁总体线形平顺，无明显破损开裂现象。

2.5 其他病害情况

经检查0号台帽顶无垃圾堵塞，梁体与背墙间无垃圾堵塞。4号墩墩顶无垃圾堵塞，4号墩顶梁体间有伸缩缝空间。对台后路面、锥坡和台前锥坡进行了检查，未发现明显破损开裂现象。

3 理论分析

3.1 梁体滑移与固定墩柱开裂分析

从以上病害联系来看，似乎梁体有向桥台滑移趋势，如支座发现向桥台滑移，0号台伸缩缝挤压，2号墩发现疑似环向受弯拉裂缝。如桥梁存在整体滑移，维修时涉及桥梁平面纠偏。

但是1号梁2号梁为整体现浇结构，右幅2号固定墩虽然出现该类裂缝，但是左幅2号固定墩和全桥固定墩均未出现该类环向裂缝，同时并非所有支座有向0号台滑移规律，并非所有支座垫石向0号台倾斜规律，判定桥梁应无整体滑移。由于右幅2号墩柱出现疑似受力裂缝，因此对墩柱受力进行分析，模型建立如下（判断原设计状态下墩柱应力，因此背墙与梁体未接触）。

图2 固定墩受力分析模型

全桥除受桥梁自重、二期恒载和活载外，梁体还受三种水平力，即温度力、收缩徐变力、制动力。

由于本桥为盆式支座，在温度作用下会发生滑移，支座在温度力作用下水平方向为滑动摩擦力。滑动摩擦力按照支反力乘以支座摩擦系数计算的，本桥边墩为63kN，次边墩为182 kN。收缩徐变力与温度力耦合，包含在温度力内。制动力为2×165=330 kN。制动力按照桥墩和支座耦合刚度进行分配，由于盆式支座水平向刚度极小，因此制动力由固定墩承担，其余参数与桥梁原设计相同。

经分析固定墩全截面也是全部受压状态，2号桥墩不会产生弯拉开裂。对2号墩现场再调查发现桥墩处一年前修补裂缝未再发展，裂缝为0.05mm，而且裂缝断续曲折，该处砼有鼓裂，不似受力裂缝。

3.2 背墙设计状态下受力进行分析

原设计背墙仅承受背墙上土压力，正常状态下背墙台后侧名义拉应力0.56MPa，未发生开裂。

3.3 检查状况背墙应力分析

本桥0号台桥面伸缩缝间距较小，对背墙正常工作影响较大，同时部分背墙与梁体间有接触现象，恶化了背墙受力状况。

考虑在背墙与梁体接触后，背墙分担桥梁制动力、温度力和收缩徐变力，但不承担桥梁竖向作用力，背墙还承受来自台后的主动土压力。

温度力和收缩徐变力：检查时伸缩缝已经顶死，伸缩缝无最小工作宽度。偏保守考虑，伸缩缝在00C伸缩缝开始顶死，温度升高至300C时，伸缩缝受挤压，背墙直接承受温度力。同样桥墩温度力按照桥墩和支座耦合刚度分配（未滑移前），但滑动支座1号、3号和4号墩支座分担温度力很小，分别为182kN和63kN，固定墩和桥台背墙抗推刚度分担温度力，可利用软件自动计算。由于滑动支座水平刚度小承担有限，制动力在1号、3号和4号墩滑动支座不分配。其余计算参数与桥梁原设计相同。

根据设计图，固结墩墩高4.8m，墩柱截面（1.6×1.4）m，箱梁梁高1.4m，底板宽6.29m，顶板宽11.74m。考虑固结墩和桥台墩柱刚度，建立梁墩有限元模型。

图3 梁体与背墙接触时有限元分析模型

图4 综合作用下背墙桥侧名义拉应力（单位：MPa）

在水平力综合作用下，背墙薄弱部位义拉应力最大拉应力为7.9MPa，构件易开裂。在梁体与背墙顶死情况下，因背墙承担较多纵向温度力、制动力导致背墙桥侧下缘拉应力超限开裂，而且梁体有推背墙向台侧趋势。

4 分析结论

（1）通过计算分析，本桥无整体性滑移，固定墩柱无受力裂缝。

（2）背墙设计状态下，结构强度满足要求，结构拉应力水平较低，不会导致背墙开裂。

（3）本桥0号台桥面伸缩缝间距较小，对背墙正常工作影响较大，同时部分背墙与梁体间有接触现象，加剧了背墙受力状况。背墙与梁体挤压后，桥侧背墙拉应力超限，背墙被梁体挤压偏位开裂。背墙开裂与伸缩缝型钢挤压、背墙与梁体挤压有直接关系。主要为施工时梁端与背墙间距预留偏小所致。

（4）支座出现较大滑移为施工原始缺陷，安装支座时未对上下钢板限位对中。

5 维修措施

本桥主要存在两个问题，一是支座滑移偏大，部分支座钢盆已经滑出钢芯，需要及时进行支座更换。二是背墙与梁体安装原始间距偏小，温度力等作用下导致背墙开裂。

（1）对病害支座进行更换，混凝土连续箱梁顶升应采用一联整体同步顶升的方案。由于本桥桥墩平面空间较小，操作空间有限，因此对桥墩安装临时托架，扩大施工空间摆放千斤顶和和临时支撑，保证支座更换施工操作的顺利进行。在顶升过程中严格控制各墩顶升高差，横桥向相同墩顶应严格同步，纵桥向相邻墩顶升高差控制在3mm以内，整体顶升高程最大不超过8mm。

（2）铣刨0号台搭板上铺装，拆除搭板，清理台后路基，直至背墙根部。同时拆除0号台伸缩缝，拆除台帽上缘线上背墙。重新根据施工温度放样背墙位置，保证背墙与梁体间距离保持在。安装背墙钢筋砼。背墙养护完毕逐层恢复台后填料，回填材料选用C15素混凝土。后安装背墙上桥头搭板；安装D80伸缩缝，摊铺桥面沥青铺装。

图5 背墙重新放样构造图（单位；cm）

6 结束语

通过对该桥背墙病害处理，对各种引起背墙可能开裂原因进行分析，找出引起背墙开裂真正原因，节省维修措施资金，全面维修背墙开裂次生病害，杜绝了背墙可能再次破换的隐患，恢复了背墙处桥梁结构安全，提高了行车舒适性。维修遵循准确分析，重点突出，全面维修原则，彻底解决背墙破损，为类似背墙维修提供一些经验和启发。

参考文献：

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