連續彎梁橋橫向位移處治方法研究

高巖淵　虞建成　李后川

摘 要：文章針對多跨連續彎梁橋橫向位移這一普遍問題存在的成因及影響進行了分析，并提出了改造中間橋墩為墩梁固結和增設梁端側向支撐的方法來解決橫向位移的現象。文章對該方法進行了可行性和優缺點的分析探討，并通過理論分析和實踐驗證，表明該技術對多跨連續彎箱梁橋橫向位移處治能夠達到較好的效果，可供類似工程借鑒。

關鍵詞：連續彎箱梁橋；橫向位移；墩梁固結；彈性支撐

1 概述

在役橋梁存在許多多跨連續彎梁橋，在多年的橋梁養護檢查中，發現較多的連續彎箱梁橋在使用過程中存在橫向位移現象[3]，即梁體向橫橋向外弧側發生平面位移，本文針對多跨連續彎梁橋橫向位移這一普遍問題存在的成因及影響進行總結分析，并對處治措施進行了研究，提出了將中間橋墩改造為墩梁固結形式和增設梁端側向支撐的方法。

2 病害成因及影響分析

連續彎梁橋橫向位移病害并非個例，如深圳黃木崗立交橋A匝道橋[8]、廣州某高速公路跨越高水線的匝道橋、津寶公路舊城勝利大橋等橋梁均存在橫向位移病害，橫向位移量值多者可達幾十公分。橫向位移病害的產生絕非偶然，必定和該類橋梁的結構類型或使用過程中的某種特定因素存在一定的關系，本文從彎梁橋構造特點和外荷載作用情況進行綜合分析。

與直線梁橋相比，由于平面曲率的影響，彎梁橋最大的受力特點是存在彎扭耦合作用。即在外荷載作用下，梁截面內產生彎矩的同時必然伴隨著產生耦合的扭矩；同理，在產生扭矩的同時也伴隨著產生相應的耦合彎矩[6]。梁截面處于彎扭耦合作用的狀態，其截面主拉應力往往比相應的直梁橋大得多。彎梁橋由于受到扭矩作用，產生扭轉變形，其曲線外側的豎向撓度大于同等跨徑的直橋；且在梁端可能出現翹曲；當梁端橫橋向約束較弱時，梁體有向外弧側“爬移”的趨勢[2]。

2.1 成因分析

恒載作用：由于平面曲率的存在，彎梁橋的外側弧長度大于內側，橫截面左右完全對稱時，它的恒載重心相對于梁的剪切中心是有偏心的。因此，即使橋面上為均布荷載，對彎梁橋的作用也可分解為一個作用于截面剪切中心線的豎向分力和向外弧側偏轉的扭矩。

活載作用：車輛行駛在彎梁橋上，梁體除必須考慮直梁橋中的豎向力和軸向力（制動力）外，當彎梁橋的曲率半徑等于或小于250m時，應計算徑向力（離心力）的作用。對于豎向荷載，與恒載偏心相似，車輛的偏心行駛會使得梁體產生扭轉。通常在全橋只設計一個固定支座，由于活載作用只是瞬間的，梁體在離心力作用下產生橫橋向位移后，如果支座摩阻力大于該活載工況下的離心力，則梁體的側向位移將不能全部恢復，梁體不會恢復到原來的平面設計狀態，直到下次活載產生的水平力大于支座摩阻力時，梁體又會往外側偏移，這樣橫向位移將逐漸累積到一個相當大的量值。

預應力作用：預應力鋼束的布束形式對彎箱梁橋的支座反力和扭轉變形影響很大。與直線梁不同，彎梁橋的鋼束存在雙向曲率，即既存在豎向彎曲也存在平面彎曲，因此預加力的作用不僅包括豎向分力，還包括平面徑向力。

溫度、收縮徐變作用：直橋在溫度變化時只產生軸向的伸縮變形，而彎梁橋發生弧段的縮短或者伸長，由于外弧側軸向的長度大于內弧側的長度，故在溫度作用下，不僅會引起軸向的位移還產生徑向位移。梁體溫度升高時，產生徑向位移，再降溫時梁體徑向位移又恢復，但在支座摩阻的作用下會存有殘余位移，在周而復始的變化的溫度作用情況下殘余位移發生累積，形成較大的橫向位移。

混凝土收縮將引起各支點處的徑向位移，故將引起橋梁線形的變化，使結構半徑變小，因而徑向力應會增大；混凝土徐變引起的僅是橋軸線的收縮，對結構的線形沒有影響。

橋墩抗推剛度：彎梁橋橋墩的構造直接影響到梁體的受力和變形。相同截面的橋墩，高度越大時，其抗推剛度越小，在橫向力的作用下，橋墩的橫向位移越大，而梁體支撐在橋墩頂的盆式支座上，如果橋墩的抗推剛度很小，通過支座摩阻力或者支座側向限位構造，也會加大彎箱梁橋橫向位移的增大。

綜合以上對連續彎梁橋在荷載作用下的效應分析可知，恒載、活載、溫度、預應力、收縮徐變等的作用都可能會對彎梁橋產生扭矩或橫橋向水平力，當其中一項或幾項的共同作用超過梁體的橫橋向抗力時，梁體就會向外弧側移動，而在引起側移的這些因素消失后，由于支座摩擦力、梁體剛度變化等因素的影響，側向位移不能全部恢復，日積月累便會發生較大的橫橋向位移。

2.2 影響分析

連續彎梁橋在使用過程中可能會發生梁體側移并且部分位移是不可恢復的，側移發生后，不僅會影響橋梁的線形，導致梁體整體平面滑移，還可能會對橋梁結構的受力造成不利的影響，梁體支撐中心線偏離支座中心線，嚴重時導致橋梁其它部件的破壞，如支座變形過大、剪切破壞；而在固定支座處，固定支座損壞或者橋墩立柱橫橋向傾斜以及混凝土開裂等。

3 處治方法研究

如果任由連續彎梁橋發生平面位移，通過以上分析將導致非常不利的后果，故考慮采取橫向限位的措施來消除橫向位移現象。但這樣由于橫向約束的影響勢必會使梁體產生一定的橫向受彎，必須進行必要的驗算分析；且在約束點處的墩柱承受較大的橫向水平力的作用。

如僅在中間墩和橋臺處通過支座橫向限位裝置或者限位擋塊限制箱梁橫橋向位移，則仍對中間橋墩下部結構產生非常不利的影響。故擬在連續彎梁橋的中間橋墩處，將原構造改造成墩梁固結形式，并采用實體薄壁墩構造以加強橋墩的橫橋向抗推能力，同時在橋臺處增設側向彈性支撐的措施。這樣在中間橋墩處的相鄰跨主梁受力類似于連續剛構形式，由于薄壁墩身參與局部主梁受力，對主梁承受活載是有利的。而溫度等對于主梁軸向變形和受力由于僅在中間橋墩設置了墩梁固結，影響卻有限。另一關鍵問題是中間橋墩的改造必須結合基礎的實際情況進行綜合考慮。

3.1 改造橋梁概況

某多跨連續彎箱梁匝道橋跨越高速公路主線，平面位于R=200m的圓曲線及A=70m的緩和曲線上，縱斷面位于R=2000m的豎曲線上。橋梁全長256.24m，跨徑布置為10×25m。橋面橫向設置單向4%超高橫坡，橋面全寬15.5m，橫向布置為0.5m（護欄）+6.75m（行車道）+1.0m（中央分隔帶）+6.75m（行車道）+0.5m（護欄）。鋪裝層為9cm厚瀝青混凝土鋪裝。設計荷載采用汽-超20、掛-120。

橋梁上部結構采用單向三室箱梁截面，中心高度為130cm；下部結構采用樁柱式墩、臺，橫橋向沿徑向設置，只在橋臺處設臺帽，其余墩均為分離的雙柱式墩身。墩柱采用圓形截面，柱徑1.2m。橋梁橫斷面布置如圖1所示。

橋臺處單向活動支座采用GPZ2000DX，1#～4#、6#～9#橋墩處雙向活動支座采用GPZ4000SX，5#中墩處柱頂采用固定支座GPZ4000GD。

橋臺處采用D160型毛勒伸縮縫。墩、臺支座平面布置如圖2所示。

在橋梁養護檢查中發現，固定支座墩的兩根墩柱存在橫橋向傾斜病害，墩柱高度6.25m，墩頂橫橋向向外側偏移12cm，且該墩柱底部地表以上2m范圍內存在數條環向裂縫，縫長小于半圓周長，裂縫間距約30cm左右，裂縫寬度約0.1mm。

3.2 改造措施

針對多跨連續彎梁橋橫向位移處治方法主要有主梁頂推復位、增加抗扭支撐、墩梁固結、增大墩柱抗推剛度、彈性側向支承等[4]。而對于本橋而言，聯長較大，且僅在中墩和橋臺處通過支座、擋塊限制箱梁橫橋向位移，經實際論證是不足的。考慮到由于上部結構橫向位移已導致固定支座墩產生環向受力裂縫這一病害特點，從增加對上部結構的橫向約束和提高下部結構抗推剛度出發，經綜合論證采用中間的5#墩處墩梁固結的方法并增設樁基承臺的綜合方法對彎梁橋進行加固改造。

加固改造示意圖如圖3所示。

實體薄壁式墩身、墩梁固結：拆除原墩柱后，在承臺上澆筑實體墩身，墩身底部與承臺形成固結。在箱梁內橫隔梁底面植入豎向鋼筋，與實體薄壁墩內鋼筋相連接，形成墩、梁固結形式。5#墩為一聯的中間墩，當墩、梁固結時，整體升、降溫不會引起墩身縱橋向受推效應，也不會因支承方式的改變而對箱梁恒載內力形成大的影響。

同時，為在兩側橋臺位置處實現更好的限位，將原擋塊尺寸加大，并在擋塊與箱梁側面之間安裝橡膠緩沖塊，實現對梁體側向的彈性支撐和限位。

3.3 效果評價

在設置墩梁固結過程中，對其與原橋的雙圓柱式墩身的支撐形式進行了分析對比，相對于柱式墩身、墩梁鉸接方式，實體薄壁墩身自身的縱橋向與橫橋向抗彎剛度更大，與承臺、基樁的整體性要更優；而且當采用墩梁固結方式時，更大的側向抗推剛度能夠更好地限制箱梁的平面位移、扭轉變形，墩身、承臺以及箱梁（中橫隔梁）形成整體后反而具備更好的橫橋向抗推性能，而且箱梁與墩身之間通過固結點傳遞彎矩對箱梁承受豎向荷載作用更有利。

采用midas-civil建立橋梁空間有限元模型對改造前后主梁彎矩內力分布進行計算分析，模型圖如圖4所示。

通過計算，加固前后5#墩兩側橋跨（第5、6跨）活載作用彎矩內力包絡圖如圖5所示。

從圖5中可以看出，加固改造后第5、6跨跨中截面活載最大正彎矩由4642kN·m減小至4384kN·m，5#墩頂截面活載最大負彎矩由-4818kN·m減小至4348kN·m，對原橋梁結構整體受力更有利了。

4 結束語

該橋改造施工結束后，對該橋進行了兩個月一次的跟蹤觀測，觀測的重點為5#墩墩身使用情況觀測、基礎沉降觀測以及箱梁變位觀測、梁體裂縫觀測等。通過兩年來的觀測，5#墩墩身無外觀病害，改造后沉降很小；5#墩位置未發現橫向位移，橋臺位置處雖有較小橫向位移產生，但有較強勁擋塊和彈性支撐（橡膠緩沖塊）約束，