S型曲線橋梁縱橫向爬移機(jī)理分析及糾偏設(shè)計(jì)

李 攀

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化的快速發(fā)展以及對交通要求的大幅度提高，曲線梁橋得以廣泛應(yīng)用。曲線梁橋由于其線形布置較為靈活，能夠很好地適應(yīng)復(fù)雜多變的地形環(huán)境[1]；而且平面線形布置多樣，能滿足人們越來越高的感官和視覺舒適性的要求，因此在城市高架橋、立交橋以及跨線橋梁工程中被廣泛應(yīng)用。

然而，由于設(shè)計(jì)、施工、使用環(huán)境等多種因素的影響，近年來，很多曲線橋梁隨著時(shí)間推移，逐漸發(fā)生了橫向偏移、扭轉(zhuǎn)等問題，甚至發(fā)生傾覆安全事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響[2]。因此，對于在役的該類橋梁，應(yīng)對偏移的原因做充分論證分析，及時(shí)采取合理有效的措施進(jìn)行處置，防范安全事故的發(fā)生。

本文以某S型曲線匝道橋發(fā)生的病害為研究對象，對此類問題的機(jī)理進(jìn)行分析、采取的糾偏措施進(jìn)行探討。本項(xiàng)目相比于常見的曲線橋梁僅出現(xiàn)橫向爬移病害，本S型曲線匝道橋還出現(xiàn)了縱向爬移的情況。

1 工程概況1

某S型曲線匝道橋?yàn)槟炒笮土⒔粯蚱渲械腄2匝道，為9跨1聯(lián)S型連續(xù)曲線箱梁結(jié)構(gòu)（見圖1），設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)汽車-超20級，掛車120驗(yàn)算，于2000年建成通車，迄今已有近20 a。

圖1 某S型曲線匝道橋總圖（單位：mm）

上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，箱梁采用單箱單室、直腹板斷面，箱梁總寬8m，梁高1.2m。橋面伸縮縫采用型鋼伸縮縫。

下部結(jié)構(gòu)采用獨(dú)柱單支座橋墩和雙柱雙支座橋墩，橋墩采用每隔2個(gè)獨(dú)柱單支座設(shè)置一個(gè)雙柱雙支座，共4個(gè)雙柱雙支座和6個(gè)獨(dú)柱單支座；基礎(chǔ)采用40 cm×40 cm的混凝土方樁。

匝道橋支座為板式橡膠支座，其中3#、6#雙柱墩的支座規(guī)格為50×9，1#、2#、4#、5#、7#、8#獨(dú)柱墩的支座規(guī)格為70×10，9#墩過渡墩的支座規(guī)格為27.5×6.5。

2017年養(yǎng)護(hù)單位在巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)D2匝道橋梁出現(xiàn)一定程度的縱向爬移（9#伸縮縫兩側(cè)型鋼頂死）；橫向爬移（9#墩位置防撞墻發(fā)生錯(cuò)位25mm）；支座整體發(fā)生剪切變形、老化開裂、鼓脹的病害，匝道橋存在有整幅發(fā)生往9#墩平移的趨勢，見圖2。

圖2 縱向、橫向位移照片

現(xiàn)場采用傾角儀對墩頂?shù)陌迨较鹉z支座4個(gè)方向進(jìn)行剪切變形測試，測試結(jié)果見表1、圖3。

表1 支座剪切變形統(tǒng)計(jì)表 mm

圖3 支座剪切變形示意圖

2 有限元分析

2.1 有限元模型

考慮到有平面曲率的影響，當(dāng)汽車離心力作用在箱梁上時(shí)，箱梁發(fā)生側(cè)向變形趨勢；同時(shí)，對于9跨1聯(lián)的結(jié)構(gòu)來說，環(huán)境溫度的自由升降溫，混凝土的收縮徐變，車輛沖擊作用等均會對箱梁產(chǎn)生影響，使得箱梁有水平移動的趨勢，為此，采用結(jié)構(gòu)分析專用軟件MIDAS/Civil對D2匝道橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

本次分析建立的有限元模型將整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)劃分為188個(gè)單元，共計(jì)187個(gè)節(jié)點(diǎn)，支座采用節(jié)點(diǎn)彈性支承，

剪切模量考慮2.6 N/mm2，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖4。

圖4 有限元模型

2.2 荷載作用

綜合現(xiàn)場箱梁的實(shí)際側(cè)移情況，考慮圓弧曲線段的汽車荷載離心力作用、平曲線直線段汽車荷載制動力作用、豎曲線上坡直線段汽車荷載制動力作用和整體的環(huán)境升降溫的影響，D2匝道橋的計(jì)算工況及計(jì)算結(jié)果見圖5、表2。

圖5 荷載作用長度示意圖

表2 荷載作用工況表

2.3 理論計(jì)算結(jié)果

上述4種工況作用下，有限元結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果見圖6。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在工況一~工況四下，曲線橋最大位移分別為45.5 mm、2.3 mm、3.1 mm、1.9 mm。

2.4 成因分析

圖6 工況一～工況4下箱梁位移圖（單位：mm）

通過現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，9#墩防撞墻橫向錯(cuò)位，最大錯(cuò)位量23 mm，邊角混凝土出現(xiàn)破損；通過檢查9#墩墩頂支座，第9跨箱梁支座出現(xiàn)剪切變形，而第10跨箱梁支座未出現(xiàn)剪切變形，表明該處的上部結(jié)構(gòu)橫向錯(cuò)位是由1～9跨箱梁發(fā)生爬移造成。

所有支座均出現(xiàn)剪切變形，從實(shí)測變形數(shù)據(jù)來看，所有支座均出現(xiàn)往9#墩方向的軸向變形，大部分支座有橫向變形，但各個(gè)支座的橫向變形方向未統(tǒng)一，表明上部結(jié)構(gòu)箱梁出現(xiàn)平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動和平移，與9#墩位置發(fā)生橫向錯(cuò)位以及9#墩伸縮縫兩側(cè)型鋼頂死的現(xiàn)狀相吻合。結(jié)合有限元計(jì)算分析，曲線梁發(fā)生縱、橫向爬移的原因有以下幾點(diǎn)：

（1）原橋梁設(shè)計(jì)采用板式橡膠支座，縱橫兩個(gè)方向均無約束。

（2）本匝道為S形平曲線，1～3跨為上坡段，汽車上坡時(shí)的水平?jīng)_擊作用，加劇了第7～9跨的側(cè)移。

（3）本匝道為S形平曲線，4～6跨的平面直線段，恰好在平面內(nèi)與第8、9跨成一夾角，當(dāng)汽車在第4～6跨制動時(shí)，會對第8、9跨的橫向水平推動趨勢。

（4）由于本匝道為S形平曲線，箱梁整體升溫，箱梁發(fā)生橫向側(cè)移。

（5）支座老化、開裂，橡膠支座彈性變形恢復(fù)能力逐漸喪失，箱梁回位作用力消失。

3 糾偏設(shè)計(jì)

3.1 工程難點(diǎn)

橋梁整聯(lián)同時(shí)采用PLC同步頂升技術(shù)和縱橫向糾偏頂推復(fù)位兩種技術(shù)措施，使得橋梁整聯(lián)同步頂升起來后，整體處于懸浮狀態(tài)，與此同時(shí)再采取縱橫向糾偏頂推復(fù)位措施。

三維度空間糾偏難點(diǎn)在于：橋梁為S型曲線橋，同時(shí)產(chǎn)生縱向和橫向水平移位，縱、橫向糾偏過程中有一定相互干擾。

（1）首先進(jìn)行縱向糾偏，將橋梁頂推至設(shè)計(jì)位置，縱向糾偏期間橫向糾偏牛腿上設(shè)置限位塊裝置，防止橋梁產(chǎn)生過大橫向水平偏移。

（2）縱向頂推到位后，在梁端頭、縱向糾偏牛腿位置設(shè)置限位塊后再進(jìn)行橫向糾偏。

（3）橫向糾偏到位后，再對縱向位置進(jìn)行測量，如有超出設(shè)計(jì)值的偏差產(chǎn)生，則重復(fù)步驟（1）、步驟（2），直至縱橫向均回到原設(shè)計(jì)位置。

3.2 糾偏設(shè)計(jì)

縱橫向反力牛腿和縱橫向限位裝置融合，即：進(jìn)行縱向糾偏復(fù)位時(shí)，橫向反力牛腿變?yōu)闄M向限位裝置；進(jìn)行橫向糾偏復(fù)位時(shí)，縱向反力牛腿變?yōu)榭v向限位裝置。

根據(jù)既有結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過增加水平方向的鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)牛腿來提供水平反力支撐點(diǎn)（亦為限位裝置），見圖7、圖8。

圖7 縱向反力牛腿及限位裝置示意圖

圖8 橫向反力牛腿及限位裝置示意圖

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)梁體重量、理論摩擦系數(shù)等因素，確定頂升（頂推）反力如下：

在縱向復(fù)位時(shí)，其中獨(dú)柱墩（01、02、04、05、07、08），在理論摩擦系數(shù)μ=0.06時(shí)，水平荷載F1=180 kN，極端情況下水平荷載F1不得大于270 kN。雙柱墩縱向復(fù)位要求每個(gè)墩柱分別設(shè)置一個(gè)平推牛腿。雙柱墩（03、06）在理論摩擦系數(shù)μ=0.06時(shí)，單個(gè)墩柱水平荷載F1=90 kN，極端情況下水平荷載F1不得大于135 kN。雙柱墩（09）在理論摩擦系數(shù)μ=0.06時(shí)，單個(gè)墩柱水平荷載F1=45 kN，極端情況下水平荷載F1不得大于70 kN。

橫向復(fù)位時(shí)獨(dú)柱墩反力同縱向復(fù)位。雙柱墩橫向復(fù)位，要求兩個(gè)墩柱間用鋼結(jié)構(gòu)連接，保證平推時(shí)兩個(gè)墩柱同時(shí)受力。雙柱墩（03、06）在理論摩擦系數(shù)μ=0.06時(shí)，兩個(gè)墩柱水平荷載和F1=180 kN，極端情況下水平荷載F1不得大于270 kN。雙柱墩（09）在理論摩擦系數(shù)μ=0.06時(shí)，兩個(gè)墩柱水平荷載和F1=90 kN，極端情況下水平荷載F1不得大于135 kN。

并應(yīng)分別對鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)牛腿進(jìn)行驗(yàn)算，本文不在贅述。

4 結(jié)論

綜上所述，通過理論分析、現(xiàn)場檢測及糾偏設(shè)計(jì)，可以得到以下結(jié)論：

（1）S型曲線橋梁爬移是由于原設(shè)計(jì)支座的布置及重載汽車的離心力、沖擊力、制動力等因素共同造成的，支座實(shí)際的縱橫向受力變得復(fù)雜。

（2）本匝道橋近兩年才出現(xiàn)爬移的問題，很大原因是隨著使用年限的增加，支座逐漸老化，支座的彈性變形恢復(fù)能力逐漸喪失，箱梁回位作用力消失，使得箱梁發(fā)生爬移后不能回位。

（3）同時(shí)采用PLC同步頂升技術(shù)和縱橫向糾偏頂推復(fù)位兩種技術(shù)措施，在三個(gè)維度分別依次進(jìn)行實(shí)施，必須要在一個(gè)維度實(shí)施頂升（頂推）時(shí)對另外兩個(gè)維度的自由度進(jìn)行限制，以達(dá)到多點(diǎn)高精度控制的目的并且確保頂升（頂推）安全。

（4）橋梁為S型曲線橋，同時(shí)產(chǎn)生縱向和橫向水平移位，縱、橫向糾偏過程中有一定相互干擾。