某高速公路連續(xù)彎梁橋側(cè)向滑移病害成因分析與處治

■陳旭棟

(福建省高速公路集團(tuán)有限公司福州管理分公司，福州 350001)

0 引言

由于路線線形方面的要求，在高速公路匝道橋梁的設(shè)計(jì)中，混凝土連續(xù)彎梁橋是十分常用的結(jié)構(gòu)形式。但是，連續(xù)彎梁橋在運(yùn)營通車過程中，由于彎梁橋自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和外部因素的影響，會產(chǎn)生側(cè)向滑移，并且隨著各種因素的不斷反復(fù)作用，連續(xù)彎梁橋發(fā)生的側(cè)向滑移不能夠完全恢復(fù)，存在不可恢復(fù)的殘余滑移并不斷擴(kuò)大。此類病害嚴(yán)重地影響了彎梁橋的安全性能。某高速公路匝道橋在定期檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)了較為嚴(yán)重的側(cè)向位移病害，存在安全隱患，需進(jìn)行加固處理。

1 橋梁病害情況

圖1 橋型布置圖

某高速公路匝道橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，全長119.0m，橋跨結(jié)構(gòu)：18.0+4X20.0+18.0m，中心線曲率半徑R=55m，坡度+3.281%。上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，下部結(jié)構(gòu)為鋼筋砼單柱式和雙柱式墩，鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。標(biāo)準(zhǔn)斷面為橋面寬度8.0m+2×0.5m防撞護(hù)欄，全寬9.0m。現(xiàn)澆空心板直腹板截面，空心板高1.2m，空心板底寬4.5m，兩側(cè)翼緣板寬各為2.25m。支座為球形支座，其中3#為固定支座，其余均為雙向活動支座。

在橋梁定期檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)整座橋梁除3#墩的固定支座外的其余支座、梁體都產(chǎn)生了不同程度的徑向及切向滑移現(xiàn)象，滑移量最大的為6#墩的內(nèi)側(cè)支座處，梁體徑向滑移量達(dá)7cm，而切向滑移量也達(dá)到了5cm。經(jīng)過2年監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)，該橋的滑移現(xiàn)象呈持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)，6#墩處徑向最大滑移量達(dá)到9.5cm，切向最大6.0cm，同時(shí)發(fā)現(xiàn)0#臺和6#臺的內(nèi)側(cè)支座都出現(xiàn)了脫空現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1、表2：

表1 背景橋徑向滑移情況統(tǒng)計(jì)表

表2 背景橋切向滑移情況統(tǒng)計(jì)表

圖2 背景橋支座滑移示意圖

橋梁定檢時(shí)同時(shí)發(fā)現(xiàn)梁體的裂縫有縱向裂縫30條，總長86m，主要分布在第2～6跨梁梁底；斜向裂縫26條，總長18m，主要分布在第1跨梁底。豎向裂縫1條，總長1m，在第3跨梁左側(cè)腹板。第6跨腹板發(fā)現(xiàn)1條斜向裂縫，縫長0.5m。已采用裂縫灌膠和裂縫封閉等方法對裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，實(shí)測混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)并無修補(bǔ)后開裂延伸現(xiàn)象。

墩身總體情況較好，并未發(fā)現(xiàn)裂縫。且墩身周圍并無外界荷載的影響。墩身豎直度順橋向偏移量最大的是6-1號墩身，豎直度為0.22%。墩身橫橋向偏移量最大的是4號墩，豎直度為0.27%。本橋墩身橫橋向和順橋向豎直度均滿足規(guī)范值0.3%。

2 彎梁橋側(cè)向滑移的成因分析

2.1 曲率半徑

曲率半徑是造成彎梁橋側(cè)向滑移的主要因素之一。對鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土彎梁橋，曲率半徑會顯著影響同一排墩(尤其是交接墩臺)處內(nèi)、外支座豎向支反力分布，曲率半徑越小，內(nèi)、外支座豎向支反力的不均勻程度越大，梁端的徑向位移就越大，且其影響程度隨跨徑增大而增大。本橋的曲率半徑僅為55m，極易產(chǎn)生側(cè)向滑移。

2.2 支座的布置形式

支座的布置形式是影響彎梁橋側(cè)向滑移的內(nèi)在因素，支座的布置形式直接影響全橋的內(nèi)力分布，合理的支座布置形式可以承受橋梁自重和車輛活載、溫度等因素所形成的“彎扭耦合”作用，限制結(jié)構(gòu)的側(cè)向滑移。通過調(diào)研，我省高速公路常用的彎梁橋支座布置方式包括以下6種，如圖3所示。現(xiàn)有滑移的彎梁橋普遍存在未設(shè)置預(yù)偏心、預(yù)偏心值過小或因支座反力過大導(dǎo)致防震擋塊損壞失效等問題。

圖3 彎梁橋6種常見的支座布置方式

2.3 自身重力作用

從本橋的平面圖形上分析，連續(xù)曲線梁的外弧長度大于內(nèi)弧長度，重心必然偏離橋軸線并偏向外側(cè)。同時(shí)，彎橋梁均會設(shè)置橫坡(本橋?yàn)?%)，使外側(cè)梁自重大于內(nèi)側(cè)梁，加大重心偏離的趨勢。本橋?yàn)榫匦谓孛妗⒑穸染鶆虻目招陌辶簶颍鐖D4所示。它的截面形心就是它的橋梁中心線和剪力中心線。設(shè)剪力中心半徑為R0，橋?qū)挒锽，截取一片微小梁段，如圖5所示，其平面形狀基本等同于等腰梯形，為便于分析，將此平面形狀視為等腰梯形。由圖5可知橋梁自重的恒載重心相對于彎梁的剪力中心有一個(gè)偏心距離。因此，在橋梁自重作用下，彎梁橋橋會有側(cè)向滑移的趨勢。

圖4 彎梁橋示意圖

圖5 截取梁段示意圖

2.4 車輛荷載作用

車輛行駛在彎梁橋上，車輛荷載對彎梁橋會產(chǎn)生豎向力(車輛自重)，徑向力(離心力)和切向力(制動力)。對于豎向力而言，按車道行駛的車輛軌跡均為偏心行駛，會使梁體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)；而車輛行駛的離心力則會造成彎梁橋的徑向滑移。連續(xù)彎梁橋的伸縮縫和端部支座極易因車輛行駛的離心力產(chǎn)生剪切變形甚至破壞。當(dāng)相鄰兩聯(lián)橋跨(或橋跨與端部路基)之中只有一聯(lián)有車輛行駛通過，且本橋梁體端部采用的是雙向活動支座，這種情況下，梁體的平面內(nèi)變形不受下部結(jié)構(gòu)形式及支座的約束，此兩聯(lián)橋跨的端部就會產(chǎn)生側(cè)向位移，該位移會縮短伸縮縫和支座的壽命，甚至產(chǎn)生剪切破壞。并且梁體發(fā)生側(cè)向滑移后，由于支座的摩擦力和剛度等因素的影響，在外部荷載消失后，側(cè)向滑移并不能全部恢復(fù)。在高速公路上，車流量大且車輛行駛速度極快，梁端所受的徑向力可以視為是在不斷施加的，隨著荷載長期反復(fù)作用，彎梁橋會產(chǎn)生徑向殘余位移的積累，即產(chǎn)生彎梁橋的滑移現(xiàn)象。

2.5 溫度作用

對于小半徑的彎梁橋來說，溫度變化是影響梁體側(cè)向滑移的一個(gè)比較大的因素。當(dāng)溫度變化較大時(shí)，梁體會發(fā)生全弧段的熱脹冷縮，此時(shí)，內(nèi)外弧段的半徑改變而圓心角不變，這種情況下會引起切向位移，同時(shí)產(chǎn)生徑向滑移。當(dāng)彎梁橋在夏季完成施工時(shí)，隨著溫度的降低，彎梁橋有向內(nèi)側(cè)滑移的趨勢，這在一定程度上是有利于彎梁橋受力的；當(dāng)彎梁橋在冬季完成施工時(shí)，隨著溫度的升高，彎梁橋有向外側(cè)滑移的趨勢，這種情況會加劇梁體的重心向外側(cè)偏移，導(dǎo)致彎梁橋處于不安全狀態(tài)。

2.6 混凝土的收縮徐變

混凝土的收縮和徐變是同時(shí)發(fā)生的，收縮徐變主要在結(jié)構(gòu)加載后3年內(nèi)完成，隨后趨于平緩，發(fā)展速率非常緩慢，但會伴隨結(jié)構(gòu)的整個(gè)壽命周期。一般來說，混凝土的收縮徐變會影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和邊緣線，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重新分布和預(yù)應(yīng)力的損失等。由于結(jié)構(gòu)收縮徐變的影響，梁體的內(nèi)外弧的變形量是不同的，梁體外弧的變形量較之梁體內(nèi)弧的大，因此彎梁橋的側(cè)向滑移將會隨著時(shí)間的推移而逐漸增大。

3 加固處治方案

針對本橋的聯(lián)端外側(cè)支座向外滑移問題及聯(lián)端內(nèi)側(cè)支座脫空現(xiàn)象，結(jié)合上文的滑移成因分析，提出如下加固處治方案：

3.1 優(yōu)化支座類型及布置形式，調(diào)整預(yù)偏心值

針對本橋的聯(lián)端外側(cè)支座向外滑移問題和聯(lián)端內(nèi)側(cè)支座脫空現(xiàn)象，擬采用將脫空支座更換為抗震球型支座，將聯(lián)端外側(cè)的支座外移，增大支座間距，調(diào)整各橋墩支座的預(yù)偏心值的修復(fù)方法。增大支座間距能增大彎橋的抗扭性能，防止內(nèi)側(cè)支座脫空，具體的調(diào)整情況如下：

(1)將 1#、2#、4#、5# 獨(dú)柱墩支座向曲線外側(cè)橫向位移20cm。

(2)將6#墩外側(cè)支座外移32.5cm，同時(shí)在連接墩上增設(shè)小帽梁，加長端橫梁外側(cè)長度；內(nèi)側(cè)支座不調(diào)整；0#臺支座不調(diào)整。

經(jīng)過以上支座調(diào)整后，應(yīng)用橋梁計(jì)算程序MIDAS/civil計(jì)算出各支座支反力如圖6和圖7所示：

圖6 調(diào)整后各支座最小支反力(單位：kN)

圖7 調(diào)整后各支座最大支反力(單位：kN)

由圖6和圖7可知，調(diào)整后各支座支反力均為正值，0#臺內(nèi)外支座最小支反力分別為218.3kN和266.9kN，比值為 0.82，6#墩內(nèi)外支座支反力分別為149.9kN和241.9kN，比值為0.62，內(nèi)外支座支反力比較均衡，能較好地避免支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

(3)擴(kuò)大獨(dú)柱墩直徑，對 1#、2#、4#、5# 獨(dú)柱墩進(jìn)行外包20cm后C30混凝土，防止支座滑移后懸空甚至掉落。

3.2 設(shè)置側(cè)向限位裝置

本橋支座的滑移量處在逐年發(fā)展的趨勢中，必須進(jìn)行限制。根據(jù)病害情況，采用設(shè)置側(cè)向限位裝置的修復(fù)方法進(jìn)行約束，具體如下：

(1)0#臺在梁體與擋塊之間設(shè)置彈性側(cè)向支承。這種類型是在梁端的主梁與防震擋塊之間安裝柔性材料，設(shè)置彈性側(cè)向支承，它的工作機(jī)理是通過設(shè)置彈性側(cè)向支承來達(dá)到減小墩臺剛度的目的，這樣，不僅可以減小梁端的支承反作用力，而且可以協(xié)調(diào)橋墩和橋臺的剛度，減少曲梁橋的橫向滑移。如圖8所示。

圖8 橋臺(蓋梁)處設(shè)置彈性側(cè)向支承示意圖

(2)6#墩在主梁和蓋梁間設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)限位裝置。這種構(gòu)造是在主梁底和蓋梁之間設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)限位裝置，使得梁體的平面內(nèi)變形受到支座及其橋墩的約束，利用下部結(jié)構(gòu)的平面抗推剛度來降低梁體的側(cè)向滑移，也利用下部結(jié)構(gòu)的柔度來適應(yīng)梁體的側(cè)向滑移，達(dá)到梁體和橋墩的共同變形。如圖9所示。

圖9 主梁底與蓋梁間設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)限位裝置示意圖

3.3 監(jiān)測措施

由于本橋結(jié)構(gòu)為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，梁體頂升時(shí)會引起橋梁內(nèi)部應(yīng)力的變化，因此在頂升時(shí)必須要有相應(yīng)的監(jiān)測措施，分為應(yīng)力監(jiān)測和位移監(jiān)測兩大指標(biāo)：

應(yīng)力監(jiān)測在在梁體受力截面安裝混凝土電阻應(yīng)變計(jì)，并在裂縫處貼上電阻裂縫計(jì)，觀測裂縫的發(fā)展情況。監(jiān)測范圍為各個(gè)頂升階段的橋跨及其受本階段影響的兩邊跨。位移監(jiān)測是在每一個(gè)頂升處監(jiān)測梁的頂升高度。在頂升處的蓋梁上用油漆標(biāo)記，在橫梁上垂直安裝高精度的鋼卷尺，以便控制梁體頂升的速度和高度。

3.4 裂縫及伸縮縫修復(fù)

梁體裂縫寬度小于0.15mm的裂縫直接采用表面封閉處理，裂縫寬度大于0.15mm的裂縫采用壓力灌漿法加固處理。由于梁體滑移造成兩條伸縮縫型鋼斷裂，已全部更換。

經(jīng)加固處治后，本橋至今未再發(fā)現(xiàn)橫向位移，證明本加固方案有效地遏制了主梁橫向滑移的發(fā)生，成效較好。

4 結(jié)語

曲梁橋的曲率半徑、支座布置、靜載、車輛荷載、溫度變化和混凝土收縮徐變等都會引起曲梁橋的滑移現(xiàn)象。其中離心力是曲線梁橋滑移的主要原因。所以，在曲線梁橋的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡可能采用較大的曲率半徑曲線。其支座類型和布置形式應(yīng)綜合考慮橋梁自重、車輛荷載及溫度等各因素產(chǎn)生的彎扭耦合作用，并結(jié)合曲率半徑，上、下部結(jié)構(gòu)的總體布置形式來確定支座布置形式。還可以采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄔO(shè)置合理的支座預(yù)偏心值。同時(shí)盡可能的選擇收縮和徐變較小的原材料及合理的配合比，也是減少彎梁橋側(cè)向滑移的有效手段。并應(yīng)計(jì)算不同季節(jié)施工的溫度變化對彎梁橋爬移的影響程度，以有效預(yù)防彎梁橋滑移現(xiàn)象的發(fā)生。