某高速公路匝道彎箱梁橫向偏位原因分析及加固研究

盧傳忠

江蘇沿海高速公路管理有限公司（224500）

某高速公路匝道彎箱梁橫向偏位原因分析及加固研究

盧傳忠

江蘇沿海高速公路管理有限公司（224500）

以某高速公路匝道為例，對彎箱梁橫向偏位的原因進行分析，并進行了現場檢測，提出了將D80伸縮縫更換為D160伸縮縫，板式支座更換為盆式支座并增設限位擋塊的處理方案。

彎箱梁；橫向偏位；理論分析；加固；限位擋塊

在溫度、車輛等荷載作用下，彎箱梁側向、縱向和扭轉位移等病害較為常見[1-2]，極易發生事故，嚴重影響道路行車安全，對此病害應予以足夠重視。某高速公路互通匝道橋右幅在定期檢測中發現梁體沿徑向向外側滑移14.5cm,業主隨即委托相關單位進行了詳細檢測,根據檢測結果進行了理論分析，最終制訂了搶險加固方案。

1 橋梁概況

某高速公路互通匝道橋上跨主線，橋梁總寬15.5m，左右分幅，單幅橋寬7.75m，上部結構采用十孔一聯的等高度鋼筋混凝土連續箱梁結構，跨徑布置為（4×20+2×25+4×20）m，全長217m。本橋0#孔部分位于緩和曲線段A=63m，其余全部位于R= 800m的圓曲線上，豎曲線變坡點位于5#墩處，坡度為3%，坡長212m。設計荷載為汽車-超20級，掛車-120。

箱梁為單箱單室截面，斷面高度1.3m，頂板厚20cm，底板跨中厚15cm，支點處厚20cm，腹板跨中厚30cm，支點處厚50cm。0#孔部分箱梁進入超高段，超高通過箱梁頂設置三角墊層實現。

4#～6#墩采用等截面圓形獨柱墩，墩柱直徑1.25m，墩高約7.0m，墩臺基礎按徑向布置，墩頂布置普通圓板式橡膠支座。其余橋墩均為花瓶墩，墩頂布設四氟滑板橡膠支座，如圖1所示。

圖1 橋梁平面布置圖

2 現場檢測結果

根據《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/TH 21-2011），對該橋進行詳細檢查，主要情況如下:

2.1 梁體滑移

右幅梁體（曲線外側）在平面內徑向向外側滑移,梁體楔塊中心線遠離支座中心線，其中3#、4#和5#墩上梁體偏移量分別為11.4cm、11.9cm和14.5 cm。在0#、10#橋臺處梁體暫未與擋塊橫向頂死。4#墩1#支座楔塊有7個圓環印記，從外向內的間距依次為1.5cm、4.8cm、1.2cm、1.0cm、2.1cm、0.5 cm和0.8cm。梁體偏移量明細表見表1.

表1 梁體偏移量明細表（cm）

2.2 支座變形

6#墩1#支座橫向剪切變形35°（如圖2所示），其余支座均未剪切變形，也未脫空。3#墩1#支座已移動，其余支座本身未發生移動。

圖2 6#墩處梁體滑離支座

2.3 伸縮縫堵死

臺背與梁端已堵死,伸縮縫不能伸展（如圖3所示）。

圖3 10#臺頂伸縮縫堵塞

2.4 車輛荷載調查

在發現病害后，立即調查該橋在本年度各月車輛情況。調查發現，橋在該年度車輛荷載逐月有增加的趨勢。該橋10月和11月的超重車輛通過較多，個別日期出現多輛120t重車（非掛車）連續經過收費站的情況。

3 理論分析

3.1 計算參數

參照《公路橋涵設計通用規范》(JTJ021-89)及《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ023-85，以下簡稱《橋規》），制動力按橋墩墩頂與其上的支座集成剛度分配，對設置四氟滑板支座的橋墩，不考慮承受制動力，因此制動力分配給4#、5#和6#墩。荷載組合如下:組合I:1.0×恒載效應+ 1.0×汽車荷載效應+1.0×收縮徐變；組合II:組合I+ 1.0×其他效應（溫度等）；組合III:組合I+1.0×掛車效應。

3.2 模型的建立

采用MIDASCivil2015建立全橋模型，總共建1274個節點，1226個單元。考慮各橋墩的集成剛度，模型中采用彈性連接模擬圓板橡膠支座豎向剛度、剪切剛度和轉角剛度；用彈簧按“m”法考慮樁土共同作用，單元長度0.5m，按實際截面建立梁體、橋墩，并考慮平縱曲線對結構的影響。

3.3 原結構計算分析結果

根據《橋規》5.5.3可知，梁體最不利截面內力數據（見表2）均符合下列公式，因此梁體可不進行構件的抗扭承載力計算。

表2 梁體最不利截面內力表

其中:Vd——剪力組合設計值；Td——扭矩組合設計值；b——箱型截面腹板總寬度；h0——箱型截面有效高度；Wt——截面受扭塑性抵抗矩。

表3 梁體抗彎承載能力驗算表

從表3可以看出，梁體抗彎承載能力滿足正常使用要求。

表4 梁體裂縫寬度驗算表(mm)

從表4可以看出，梁體裂縫寬度在組合I作用下均小于0.2mm，在組合II和組合III作用下均小于0.25mm，滿足正常使用要求。

綜上所述，原設計支座承載能力滿足正常使用要求。

3.4 邊界條件改變對結構的影響

梁體梁端受約束剛度大于中間各墩時，整個彎梁橋在平面內可視為一座水平面內的兩鉸拱橋，由于橋梁豎曲線縱坡大，整個彎梁橋在豎向也可視為一座兩鉸拱橋。

表5 邊界條件改變對結構的影響(kN)

從表5可以看出，當溫度升高時會導致墩頂反力減小，徑向水平力增加。當梁端受約束時，在溫度升高和離心力等綜合作用下，支座徑向滑動力大于支座摩阻力時，會出現梁體向外側滑移。

4 病害原因分析

根據現場檢測及理論分析,梁端受約束時，溫度升高產生的徑向力+多輛重車產生的離心力（極端情況）超過支座摩阻力，則引起橫橋向位移，在外荷載消失后，橫向位移并不能全部恢復，形成殘余位移。當溫度降低、梁體收縮后，梁端與伸縮縫存在間隙，梁端會向平面外有微小移動；當溫度升高至一

定程度時，梁體伸長后，梁端與伸縮縫之間間隙被填滿的同時,梁端受約束,當極端情況再發生時,又引起橫橋向位移。如此情況反復發生，橫橋向多次殘余位移累積，形成目前梁體徑向向外滑移的現象[3]。

5 加固方案研究

根據病害原因分析，針對橋梁徑向向外爬移量大的現象,在橋梁搶險加固之前限制超重車輛通行，并跟蹤觀察關鍵墩處梁體的偏移量。

鑒于梁體滑移后承載能力和使用性能沒有明顯劣化，頂推箱梁復位意義不大，板式支座使用年限受影響，應在原位進行搶險加固，考慮兩種加固方案，如表6所示[4-5]。從表中可以看出，D80伸縮縫改為D160伸縮縫及設置側向限位裝置為兩方案相同部分，更換伸縮縫有利于恢復結構邊界條件，改善橋梁目前受力狀態。增設限位裝置可以防止極端狀態下落梁事故的發生，保障橋梁運營安全。

表6 兩種加固施工方案對比

方案一將所有板式支座更換為盆式支座，計算結果顯示，其支座反力及結構內力變化不大，離心力變化如圖4所示。從圖中可以看出，更換盆式支座后，獨柱墩墩頂離心力降低23%～56%，各墩頂盆式支座共同承受離心力荷載，結構受力更為合理。立柱和樁基的承載能力和使用性能均能滿足正常使用要求。

圖4 方案一結構離心力對比（kN）

方案二將獨柱墩與梁體進行固結，根據計算結果，梁體承載能力能滿足正常使用要求，但在組合I作用下裂縫寬度超過《橋規》0.20mm的規定，不能滿足正常使用要求，如表7所示。

表7 方案二5#墩頂裂縫寬度驗算

方案二5#墩立柱承載能力驗算結果如表8所示。從表中可以看出，其內力設計值超過結構抗力約1.1倍，不能滿足要求。

表8 方案二5#墩立柱承載力驗算

綜上所述，方案二結構裂縫驗算及墩柱承載力驗算不符合要求。方案一結構內力及支座反力變化不大，離心力大幅減少，結構受力較為合理，因此確定方案一為最終加固方案。

6 結論

1）該彎箱梁沿曲線徑向向外側最大偏位14.5 cm，支座最大剪切變形35°，伸縮縫堵死，發現病害前該橋部分時間有超重車輛連續通過。

2）通過計算發現，該橋在原設計狀態下符合原設計規范要求。但在邊界條件發生改變（伸縮縫堵死）時，梁體在平面內成為“兩鉸拱”。在溫度及車輛荷載作用下，支座處梁體徑向力大于摩阻力，梁體發生橫向偏位。

3）研究了板式支座更換為盆式支座、獨柱墩墩梁固結兩種加固方案。前者結構內力及支座反力變化不大，梁體離心力降低了23%～56%。后者5#墩頂裂縫寬度驗算及墩柱承載能力驗算均不能通過，因此，板式支座更換為盆式支座的方案結構受力更為合理。

[1]宮平,胥金彪.深圳某立交N4匝道橋梁體轉動分析和加固介紹[J].特種結構,2001(4).

[2]何柏雷.“太陽把橋曬跑了？”深圳某立交A匝道橋事故分析[J].城市道橋與防洪,2002(2).

[3]丁漢山,劉華,等.淮揚公路高架橋南立交側向限位設計[J].橋梁建設,2003(12).

[4]劉其偉,茹毅,等.新舊混凝土連續箱梁拼接橋梁端橫向位移分析[J]施工技術,2015(16).

[5]張偉.彎梁橋的加固施工[J].橋梁建設,2001(4).