摘要：随着铁路建设发展，桥梁病害随之增多，其中高速铁路桥梁支座垫石开裂问题突出，严重影响桥梁服役功能及寿命。为研究支座垫石混凝土开裂成因，以新建商丘至合肥至杭州铁路（安徽、浙江段）站前工程为背景，利用ANSYS有限元软件，系统分析了在新老混凝土收缩作用、桥墩与垫石不同龄期差及支座垫石振捣是否密实条件下，新浇筑垫石的应力状况，并提出避免支座垫石开裂的改进措施。结果表明：新老混凝土收缩作用是架梁后支座垫石拉应力产生的主要原因;垫石收缩应力随新老混凝土龄期差增大而增大，最后趋于稳定;支座垫石混凝土振捣不密实会使垫石拉应力增大，导致垫石内部裂缝的产生;垫石浇筑前对桥墩混凝土润湿能有效减小垫石收缩应力，避免垫石开裂。

关键词：高速铁路桥梁;支座垫石;开裂

随着城市现代化建设的不断推进和经济水平的高速发展，我国铁路建设突飞猛进，目前已投入运营13.1万km。其中，高速铁路以其快捷、高效、安全、舒适等特点，在现代社会发展中占优势的位置，十几年之内达到3万余km，占据世界高速铁路里程的60%，位居世界第一。然而，随着高速铁路不断投入运营，桥梁病害问题日益突出，最为常见的病害包括非结构裂缝、混凝土碳化、剥落、露筋、空洞、钢筋锈蚀、不均匀沉降、支座破坏等，而支座垫石开裂问题尤为突出。支座垫石作为高速铁路桥梁承载力的关键部位，其开裂将影响混凝土的承载力，严重威胁着桥梁整体使用寿命和结构安全。因此，本文以某铁路桥梁为工程背景，利用ANSYS有限元软件建立桥墩加垫石新老混凝土结构模型，分析桥墩与垫石不均匀收缩下支座垫石的应力状态并提出了改进措施，对实际施工过程有重要指导意义。

一、工程背景

新建商丘至合肥至杭州铁路自商丘站上跨既有京九线后并行于京九线北侧走行，进安徽省后，向西南经亳州市、阜阳市、淮南市，沿合蚌客专引入合肥枢纽合肥站，同时沟通合肥南站。出合肥站后，经合福铁路的巢湖东站、新建芜湖铁路长江大桥引入芜湖站。之后利用芜湖至宣城的皖赣线扩能改造工程过宣城，然后经过广德进入浙江省，引入湖州站，最后利用宁杭客专引入杭州东站。正线长度794.55km，新建安徽、浙江段境内正线长度569.946km。（全线新建线路长617.94 km，其中河南段线路长度47.994km）。

本标段为新建商丘至合肥至杭州铁路（安徽、浙江段）站前工程SHZQ-11标，里程范围：DK276+813.72～DK316+612.38（有短链364.594m），正线长度39.434公里。线路位于安徽省淮南市、长丰县境内，基本沿淮南铁路西侧及合淮阜高速公路东侧之间走行，呈南北走向。

主要工程：路基、桥涵、无砟道床、轨道精调，新建淮南南站，扩建水家湖站，主要大临工程包含淮南梁场、淮南板场，（其中DK276+813.72～DK286+318段箱梁预制架设由SHZQ-10标负责）。

本标段重点控制工程有淮西特大桥、淮蚌高速公路特大桥、水家湖站站改。

主要工程量：特大桥30147.2延长米/4座，框架中桥185.299延长米/5座，框架小桥13.4延长米/1座，框架箱涵14处，路基9.29公里。其中预制架设箱梁603孔，支架现浇非标长度箱梁13孔，预应力混凝土连续梁13联，正线无砟道床77.596公里，路基段CRTSⅢ型板21753米，桥梁段CRTSⅢ型板54678米，路基段CRTSⅠ型双块式1165米。

二、有限元模型的建立

（一）模型建立

根据工程实际情况，利用ANSYS有限元软件建立桥墩加垫石实体模型进行模拟分析。桥墩和垫石均采用8节点Solid45实体单元进行建模，不考虑桥墩和垫石之间的黏结滑移，接触面处节点完全耦合。桥墩和垫石的混凝土线膨胀系数α均为1×10-5℃-1，泊松比为0.2，混凝土密度为2650kg/m3，有限元模型如图1所示。

（二）混凝土弹性模量

混凝土浇筑后其弹性模量随时间的变化而增大最后趋于稳定，桥墩由于成型时间较长，其弹性模量基本趋于稳定。对于新浇筑垫石混凝土，其弹性模量随时间不断变化，本文采用《CEB⁃FIPModelCode1990》的弹性模量计算式：

式中 为龄期为 的混凝土弹性模量; 为龄期为28d混凝土弹性模量; 为混凝土龄期; 为龄期调整系数;s值取决于水泥品种，普通水泥取0.25。

文中新老混凝土模型中桥墩混凝土采用C40，其 取32.5GPa。为了保证垫石混凝土强度和提前架梁的要求，将垫石混凝土提高一个等级采用C50， 取34.5GPa。

（三）混凝土收缩计算模型

式及对数函数式，本文采用JTGD62—2012《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中混凝土收缩终值的指数函数。混凝土收缩应变 的表达式为

（三）分析方法

混凝土收缩的发展与应力历史无关，ANSYS中混凝土的收缩计算一般是通过“等效降温法”模拟实现，混凝土的线膨胀系数为 ，将混凝土收缩应变等效换算为施加在混凝土上的温度荷载，其表达式为

式中： 为t时刻混凝土收缩应变; 为收缩开始时混凝土龄期， 取3d; 为换算得到的当量温差。

三、成因分析

（一）新老混凝土收缩

如果垫石和桥墩之间仅仅是放置荷载的关系的话，拉应力处以于可控范围，并不会出现裂缝，但是由于桥墩与垫石之间属于新老混凝土组成的结构，在垫石混凝土发生收缩作用的过程中可能会受到桥墩的约束和控制，所以在桥墩和垫石的接触面位置会形成比较大的收缩次应力，使垫石混凝土受到拉力的影响，整体基本上都处于一个受拉的状态，而且二者之间的接触面位置所产生的拉力最大，而收缩应力做主要作用于两块垫石的内底角处。由此看来，桥墩和垫石之间由于出现了不均匀的收缩，导致此二者彼此之间产生了约束和影响，从而出现裂缝以及对架梁后垫石产生负面的影响。

（二）混凝土龄期差

一般来说，桥墩和垫石部位的混凝土并不是同时浇筑的，而是根据工程设计和工程进度进行分别的浇筑，所以桥墩和垫石之间的混凝土浇筑通常是存在一个时间差的，两个部位的混凝土浇筑时间不同形成了新老混凝土结构。新老混凝土收缩会导致垫石出现裂缝在上文已经进行了介绍，此处不再赘述。关键问题是桥墩混凝土和垫石混凝土浇筑时间间隔的不同所产生的混凝土龄期差会对垫石的应力产生比较大的影响，一般来说两处混凝土之间浇筑时间间隔越小，龄期差越小，所产生的应力也就越小，可以说是呈正相关的关系。这是因为随着龄期差的增大，率先建设的桥墩混凝土已经趋于稳定，完成了收缩的过程，所以会对垫石的收缩产生严重的约束，影响垫石的收缩反应。

（三）混凝土振捣

虽然我们知道垫石出现裂缝的主要原因是新老混凝土的收缩，但是混凝土的振捣工作效果同样对垫石的稳定性和应力大小有明显的影响。这是因为垫石混凝土收缩的次应力来自于桥墩和垫石自身，一般来说支座垫石的厚度数值是比较小的，所以在进行支座垫石混凝土浇筑的过程中，应该进行认真的振捣，确保振捣的质量以及混凝土振捣的密实程度。如果混凝土振捣不够密实，使用该混凝土的位置就会比使用振捣密实混凝土的位置的拉应力更大，就会导致在本来就不密实的位置出现内部结构性的裂缝，从而严重影响垫石质量以及工程质量。

四、改进措施

实际工程中，垫石混凝土开裂主要由于混凝土收缩引起，垫石开裂后修复比较困难、效果差且造成严重的经济损失。因此，基于本文定量分析，通过改善新老混凝土收缩效应来减小支座垫石拉应力。在支座垫石浇筑前，对底部桥墩进行洒水润湿，利用桥墩与垫石之间的相互作用来改善支座垫石初始应力状况。由于垫石与桥墩的浇筑间隔相对较长，桥墩收缩基本趋于稳定，垫石浇筑前对桥墩进行洒水润湿不仅可以保证垫石与桥墩紧密黏结，还能使桥墩膨胀后能够在环境影响下二次收缩以改善上部垫石的收缩应力。由此看来，在进行垫石混凝土的浇筑工作之前，应该对桥墩混凝土进行湿润，促进桥墩混凝土的二次收缩，能够极大程度上缓解垫石裂缝的产生。

结束语

通过对高速铁路桥梁支座垫石开裂成因分析，得出如下主要结论及改进措施：新老混凝土收缩效应对架梁后支座垫石的应力有显著的影响，支座垫石拉应力基本由新老混凝土收缩效应引起，其中对垫石底面应力影响严重。新浇筑垫石的收缩应力随着垫石与桥墩的龄期差增大而增大，最后趋于稳定。因此，在桥墩浇筑完成后越早浇筑垫石，垫石的施工质量就越好。垫石混凝土浇筑不密实将会增大支座垫石内部结构裂缝的产生，严重影响垫石正常工作，威胁桥梁安全。当桥墩与垫石的浇筑间隔较长时，为避免支座垫石开裂，可以在垫石浇筑前对底部桥墩进行洒水润湿，利用桥墩二次收缩作用能够有效减小新浇筑垫石的收缩应力，从而减少收缩裂缝的产生。

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