獨柱彎梁橋受力特點分析與病害處治

黃啟梓

（深圳市市政設計研究院有限公司,廣東 深圳 518029）

獨柱彎梁橋受力特點分析與病害處治

黃啟梓

（深圳市市政設計研究院有限公司,廣東 深圳 518029）

以預應力混凝土彎梁橋的受力特征作為出發點,通過一個工程實例,探討了會嚴重影響橋梁結構安全和正常使用的病害所產生的原因及處治的方法。

獨柱墩；彎梁橋；病害；加固

1 概述

混凝土曲線箱梁橋（彎梁橋,下同）是公路、城市立交橋匝道不可或缺的結構形式,其抗扭剛度大,線形美觀[1]。彎梁橋與直線梁橋相比,在荷載、預應力、溫度、收縮徐變等作用下產生的彎-扭耦合效應十分復雜[2],若設計考慮不周,會有發生支座脫空、向外爬移、向外翻轉等病害的風險。

彎梁橋的受力要比直線梁橋復雜得多:主梁具有較大的撓曲變形,彎-扭耦合效應突出和扭矩影響支座反力分布等。若在早期的設計、施工中對彎梁橋受力特征的分析考慮不足,會使彎梁橋在施工、營運過程中出現各種問題或埋下隱患。建成的現存很多彎梁橋存在著曲線內側支座脫空、腹板開裂、結構沿著曲線外側徑向側移、梁體翹曲、橋墩產生水平環形裂縫等病害現象。

彎梁橋橋墩設計時,根據橋寬實際情況,多采用獨柱、雙柱支承或獨柱加設帽梁的方式。獨柱墩因具有占地少,視野開闊,橋下通透等優點而多被采用。然而對于彎梁橋的設計,特別是小半徑彎梁橋,結構驗算采用平面桿系程序已經不能滿足設計要求,需根據工程實際建立全橋模型,利用空間分析程序對主梁、橋墩、樁基進行整體的分析。

2 彎梁橋受力特征

2.1 彎-扭耦合作用

普通鋼筋混凝土彎梁橋的扭矩主要由內外緣腹板自重不同引起；預應力混凝土彎梁橋除了內外緣自重不同外,預應力鋼束在空間方向的分布對于扭轉中心也會產生很大的扭矩。預應力徑向力產生的扭轉方向往往是向外翻轉,當該扭轉效應達到一定程度時,曲線內側支座就會發生脫空,使橋梁支承體系發生變化。

豎向荷載作用在彎梁橋上時,由于彎橋曲率的影響,結構同時產生彎矩和扭矩,并相互影響,這就是彎梁橋所獨有的受力特征:彎-扭耦合作用[3]。在彎-扭耦合作用下,彎梁橋上的應力及撓曲變形為彎矩和扭矩共同作用下的結果,結構內力及變形值要比同等跨徑的直線橋大,且外緣彎曲應力大于內緣彎曲應力,外緣撓度大于內緣撓度,曲率半徑越小,內外緣的應力及撓度差值越大。在彎-扭耦合作用下,梁端可能發生翹曲,梁體有可能向曲線外側爬移[4]。

2.2 曲線內、外支座支反力差異大

彎梁橋由于存在較大的扭矩,因而往往會使外側支反力增大、內側支反力減小,尤其是在橋梁寬度較大或者曲線半徑較小的情況下。若橋梁設計沒有采用特殊構造措施,如中支點預偏心、加大內外側支點間距等,則曲線內外支點反力可能差異很大,使得內側支點有可能發生“負反力”；若橋梁設計沒有采用抗拉支座,主梁和支座就會分離,即“支座脫空”,內側支座退出工作,全部支反力由外側支座承擔。

2.3 下部橋墩受力復雜

如果設計時未考慮相關措施,則成橋時橋梁在曲線內外側支反力差異很大,橋墩在恒載作用時即已承受較大的偏心力,若發生支座脫空現象,則偏心力更甚。除恒載偏心產生彎矩外,墩頂還會有水平力的產生,如制動力、溫度力等,故彎梁橋的橋墩設計應充分考慮結構的空間受力特征才能確保結構的安全可靠。

3 某小半徑曲線箱梁人行橋病害剖析與加固

3.1 工程概況及病害描述

某小半徑曲線預應力混凝土箱梁人行橋,全橋主梁合計三聯,計8跨,全長175.04 m,第一聯（1.65+10.18+19.50）m；第二聯（4×25.00）m；第三聯（2×21.03+1.65）m；橋寬5.00 m,梁高1.25 m,為預應力鋼筋混凝土結構。橋墩為單柱圓墩,柱徑1.00 m,中支點單點支承,邊支點雙點支承。R0#、R8#、R2#、R6#墩為分聯墩,R1#、R3#、R4#、R5#、R7#墩為中間墩,均采用圓板式橡膠支座。

檢測報告描述:第一、二聯的梁體間隙為11.0 cm,第二、三聯的梁體間隙為15.5 cm；第二聯梁體相對于第一、三聯梁體發生向外側水平位移,位移量分別為1.5 cm和1.0 cm；第二聯梁體向外翻轉, R2#墩分聯處橋面左、右欄桿立柱分別傾斜下沉1.5 cm和上翹4.5 cm,R6#墩分聯處橋面左、右欄桿立柱分別傾斜下沉0.5 cm和上翹2.0 cm；R2#墩第3跨側2#支座（內側支座）和R6#墩第6跨側2#支座（內側支座）頂部均完全脫空,脫空量分別為3.6 cm和2.4 cm。對分聯處梁體間隙、水平位移、護欄立柱錯位、橋面橫坡和支座變位等,分別采用鋼直尺、高精度水準儀進行精確測量,發現第二聯梁體已經產生了明顯向外翻轉現象,并有輕微向外的水平位移。

分聯處的R2#、R6#墩柱身曲線內側沿高度方向有大量的水平環向裂縫,間距10～40 cm,長度為50～130 cm。

3.2 結構分析

結構分析采用MIDAS-CIVIL程序建立空間有限元模型,將主梁、墩柱離散為梁單元結構,如圖1所示。首先對橋梁現狀進行驗算分析（結果見表1）,找出發生病害的原因,再根據加固方案（見圖2）驗算加固后的橋梁受力狀況。

圖1 全橋離散模型

表1 預應力張拉完成階段支反力匯總表

圖2 橋梁加固設計圖(單位:mm)

表1結果表明,第二聯主梁在預應力鋼束張拉后,邊支點R2#、R6#墩曲線內側支座就已脫空,退出工作；第一、三聯主梁在成橋階段未出現負反力,與現場實際一致,說明第一、三聯主梁未發生病害。

3.3 病害原因分析

（1）由于該橋修建于20世紀90年代初期,當時對于彎梁橋的設計經驗不足,而電算多為平面桿系程序模型,設計時對預應力張拉產生的扭矩估計不足。根據本次驗算結果,主梁在預應力張拉后邊支點內側支座就已脫空。

（2）該橋原設計僅在第二聯中墩設置3 cm預偏心,支座預偏心設置過小,不足以改善全梁扭矩分布,對邊支點支反力的影響甚微,不足以改善由于主梁結構自身內外腹板的自重差及預應力鋼束產生的扭矩,從而引起邊支點曲線內側的支座脫空。

（3）支承體系設計不合理。全橋全部采用板式橡膠支座,中墩全部采用單點支承,無固結墩,致使支承體系在平面外約束較弱,導致平面外的位移。

（4）由于橫向約束較弱,彎梁橋在溫度、收縮徐變等作用下產生的橫向位移不斷積累,且無法完全恢復,即出現了“爬移”現象。

（5）管養不到位?，F場踏勘發現,主梁伸縮縫被設置一根PVC管,并用水泥砂漿填筑,影響了伸縮縫的正常使用功能,約束了梁體的縱向伸縮變形,加速了梁體向外水平位移。

3.4 病害處治及加固

3.4.1 增設樁基、承臺、加固橋墩

R2#、R3#、R5#、R6#墩在曲線外側增設樁基,新增樁基礎與既有樁頂處增設承臺,并加固橋墩。采取截面加大和外包鋼板的方法進行加固墩柱,外包16 mm厚鋼板,墩柱直徑由1.0 m加大到1.3 m；柱內澆筑C30無收縮混凝土,鋼板內側設剪力釘以增強混凝土與鋼板間的連接,在蓋梁底鋼板與鋼管柱之間焊接鋼板靴,形成固結作用。墩柱底用螺栓錨固鋼板與承臺構成固結。

3.4.2 第二聯箱梁采用千斤頂頂升復位

搭設支架(預留蓋梁位置),在R3#、R5#墩橫梁處主梁中心左右側1.3 m處各布置2臺千斤頂,由曲線外側千斤頂向上頂升復位主梁,千斤頂初頂力300 kN（單個千斤頂）,頂力與位移雙控,當R2#、R6#墩曲線內側脫空支座恢復作用時,曲線外側千斤頂繼續向上頂250 kN（單個千斤頂）,保持頂力。施工時對主梁位移實時監測,并記錄脫空支座恢復作用時的頂力。

3.4.3 中支點橋墩增設鋼蓋梁，變單點支承為雙點支承

蓋梁的鋼結構部分由工廠制作,現場拼裝后蓋梁箱內灌注C40無收縮混凝土。R3#、R5#墩主梁左右側千斤頂依次向上頂升,在梁底與原支座脫空1 cm時保持頂力,取出原墩頂支座后緩慢卸載,完成單支座至雙支座的轉換。

3.4.4 伸縮縫及橋墩裂縫處治

伸縮縫堵塞將影響梁體的自由伸縮變形,應全面檢查全橋伸縮縫,對已經被堵塞的進行清理、更換。伸縮縫清理在主梁頂升前完成,其他縫隙雜物清理工作及伸縮縫恢復應在墩梁加固措施完成后實施。另外,采用環氧樹脂膠直接封閉橋墩裂縫。

4 結語

本文通過對一個典型的彎梁橋的病害實例分析,印證了彎橋梁的受力特點。由于彎梁橋結構受力復雜,設計時應引起足夠的重視；在進行彎梁橋加固設計時,亦需根據其受力特點來分析病害根源,才能消除病害,治標并治本。

[1]邵容光.混凝土彎梁橋[M].北京:人民交通出版社,1996.

[2]孫廣華.彎梁橋計算[M].北京:人民交通出版社,1997.

[3]周紅成.小半徑彎梁橋的設計選型與結構分析[J].科技創新與應用,2013（21）:191-192.

[4]李曉飛,趙穎華.連續曲線橋橫向破壞機理分析[J],道路與鐵道工程,2004（6）:513-517.

U443.3

B

1009-7716（2017）07-0081-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.024

2017-03-24

黃啟梓（1986-）,男,福建三明人,工程師,從事橋梁設計工作。