預應力混凝土連續彎箱梁側向位移的產生原因分析與控制

楊 運 鵬， 文 平， 王 國 棟， 王 抗

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

環高明湖經濟帶建設PPP項目位于四川省通江縣，為綜合性市政工程，包括19條市政道路，總里程為15.83 km，其中橋梁11座；濕地公園和生態公園各一座，總占地面積達2 700畝(1 hm2=15畝)。筆者以該項目所含的市政道路中混凝土連續彎箱箱梁為研究對象，結合以往工程實例中發生的側向位移病害進行了分析與研究，總結出一些限制彎箱梁橋發生側向位移的經驗措施，旨在今后類似工程中推廣應用，減小此類橋梁工程病害的發生。

2 預應力混凝土連續彎箱梁的側向位移

彎箱梁橋設計時常采用預應力混凝土連續彎箱梁。但在實際施工和建成后的運營過程中，彎箱梁梁體往往會出現側向位移[1](爬移)、梁體扭轉、橋墩開裂[2]甚至梁體傾覆等質量安全事故，其中側向位移造成的事故機率占大多數。

多重外界因素影響下會有橫橋方向的側向位移發生，例如彎箱梁的預加應力、車輛行駛時的離心力、晝夜溫差等因素的綜合作用。如果梁體產生側向位移，且發生的位移量不能完全得到恢復，日積月累會產生較大的側向位移，該過程即為爬移現象的產生過程。

此外，現場施工時對影響側向位移的因素考慮不充分，彎箱梁梁體就會出現側向的滑移，滑移程度較輕的會引起梁端伸縮縫破壞，程度嚴重的會引起梁體翻轉傾覆而造成質量安全事故和經濟損失。

3 導致側向位移的主要影響因素

3.1 支座布置形式的影響

支座的布置形式可以從兩方面進行調整：①對支座類型進行調整；②對支座間距進行調整。

彎箱梁使用的支座類型有單向滑動支座、雙向滑動支座、固定支座三種類型。支座類型的選擇雖然對豎向支反力沒有太大的影響，但對水平方向的支反力卻有著較大的影響，水平方向的支反力是制約梁體側向位移的關鍵因素，因此，選擇正確的支座應進行嚴格的計算(圖1)。

圖1 變更支座形式對徑向位移的影響示意圖

對支座間距進行調整會影響到支座的豎向支反力，減小支座間距會使內外側支座豎向支反力趨于相等；增大支座間距則會使內外側支座的豎向支反力差值變大，其外側支座變為主要受力點，致使內外側支座受力不均、側向位移量亦將加速產生，從而導致梁體的使用壽命遠遠小于設計壽命。

3.2 恒荷載作用的影響

對于彎箱梁而言，雖然橫截面對于中心線而言是左右對稱，但是梁體的重心位置對于梁體的中心位置卻有一定的偏移。由于彎箱梁的頂面形式和扇環類似，我們取一段厚度均勻的扇環(圖2)，其截面形心即為其剪力中心，該剪力中心的半徑為R0,橋面寬度為B。由偏心距公式e=-B2/12R0可以得出以下結論：彎箱梁的重心偏心距與梁截面形式和曲率半徑有關，彎箱梁梁體有向外傾覆的趨勢，因此，在布置支座形式時必須考慮在彎箱梁外側設置一定的預偏心，進而改善支座支反力和梁體扭矩的分布形式。

3.3 彎箱梁曲率半徑的影響

由于彎箱梁的曲率半徑對梁體側向位移具有重要的影響，因此，不同的曲率半徑對梁體的影響亦不同。如果曲率半徑增大，內外側支座的支反力則趨于相近，當曲率半徑趨于無窮大時，彎箱梁橋即變為直線橋，其內外側的支座支反力變為相等。在不同曲率半徑下，特別是梁端支座豎向支反力的變化范圍要比中間支座支反力的變化大的多；反之，梁體的曲率半徑越小，梁體內側支座的豎向支反力越敏感，梁體的扭轉就越明顯，彎箱梁向外側的側向位移亦越大，以上變化以邊跨及梁端的變化最為明顯。

圖2 扇環示意圖

3.4 溫度效應的影響

溫度效應引起梁體側向位移的原因有兩種，筆者對其進行分析如下：

第一種是由溫度梯度[3](日照溫差)引起的。梁體受到太陽照射后，向陽面的溫度變化幅度較大，而背陽面的溫度變化幅度則較小，而且沿梁體高度各個層面的溫度亦不相同，從而產生橫向、豎向的溫度梯度。由于結構材料具有熱脹冷縮的性

圖3 梁體箱型截面在日照溫差下的變形形式圖

質，勢必會產生溫度形變，對于截面閉合的彎箱梁梁體在橫截面上就會產生出如圖3所示的變形形式。溫度梯度會使梁體支座在平面內產生方向相反的支反力。彎箱梁在日照溫差作用下，梁曲率半徑越大，梁體越會表現出縱橋向的變形；梁曲率半徑越小，梁體越會表現出橫橋向或豎向的變形特征。

第二種是由體系溫差(季節溫差)引起的。彎箱梁梁體在體系溫差作用下，各單項活動支座和固定支座將會承受一定平面內的支反力，特別是梁端單項支座承受的橫向推力較大。在體系溫差大小不同的情況下，支座豎向支反力和徑向支反力的大小不同，體系溫差越大，支反力越大，且支反力的大小與體系溫差呈線性變化，進而引起梁體側向位移越大。

3.5 動荷載作用的影響

在分析車輛在橋面上行駛時力的作用時，參照集中力的形式可知施加在車輪著地點的力對梁體產生豎向荷載(車輛自重)和水平離心力荷載，剎車時還會有切向力(制動力)[4]。如果車輛行駛處于梁體邊緣則會使梁體產生偏心受力，進而會導致梁體發生側移。高速行駛車輛帶來的離心力不僅會引起梁體的側向位移，還會引起梁體伸縮縫的剪切破壞和端部支座破壞。高速車輛行駛過后，梁體的側向位移在支座摩擦力影響下并不能夠完全恢復，會產生橫橋方向上的殘余位移，當殘余位移長時間疊加后就會產生梁體的側向位移，即爬移現象會愈加嚴重。

3.6 梁體預應力的影響

預應力鋼束的布置形式不同、預應力對彎箱梁梁體的作用形式及作用位置不同，所產生的支座反力和扭轉形式也會有所不同[5]。由于彎箱梁梁體本身存在曲率，所以，預應力鋼束在梁體內存在雙向曲率。預應力可以分解為豎向分力和水平向分力，兩種分力分別會帶來梁體起拱和梁體的側向位移，而起拱則會使梁體的內側支座脫空、產生梁體扭轉的趨勢。對于梁體而言，曲率半徑越小，水平方向分力的作用效果就越明顯，由于彎箱梁預應力鋼束空間上存在雙向曲率，既使在梁體截面對稱位置同時張拉且張拉力相同，仍然會有水平方向上的分力，而且還會產生側向位移。如果按照不規范的張拉順序進行張拉，梁體的側向位移將會更大。

4 彎箱梁橋側向位移的限位措施

側向限位措施是防止彎箱梁發生“爬移”現象的預防措施，采取限位措施的目的包括：避免彎箱梁出現拉反力，即避免支座出現脫空現象；避免支座橫向推力過大；盡量使彎箱梁梁體與橋墩、橋臺在平面內的變形趨于協調，以避免彎箱梁扭轉變形過大。該工程施工中主要是通過改善彎梁箱自身構造達到限位目的的，其采取的主要措施有：

(1)采用盆式橡膠支座。盆式橡膠支座是由鋼構件和橡膠組合而成的新型橋梁支座，具有承載力大、水平位移量大、運轉靈活等特點，能夠更好地協調梁體與橋墩之間的變形；

(2)鑒于橋墩墩身較高，應盡可能地多使用單向活動支座和固定支座。由于橋墩較高，橋墩自身的柔度可以很好地適應梁體的變形，使梁體和橋墩達到共同變形。因此，單向活動支座和固定支座可以使彎箱梁在平面內的變形受到支座和橋墩的約束，利用橋墩的平面抗推剛度來降低梁體在平面內的變形；

(3)減小下部結構的抗推剛度。減小橋墩的抗推剛度也就是增加了橋墩的柔度，而橋墩自身的柔度可以很好地適應梁體的變形，從而使梁體和橋墩達到共同變形；

(4)設置彈性側向支撐。即利用彈性支撐代替下部結構的柔度，這樣實施不僅能夠減小梁端的支反力，還能夠使順橋向各墩臺的剛度協調，從而減小彎梁的側向位移；

(5)改變梁端支座的橫向布置。其一般做法是加大端部雙支座的間距。梁體寬度不夠時，則考慮向外側增加梁體，再將支座向外側進行偏移，這種設置可以很好地改善支反力，并能增強梁體的抗扭性能；

(6)改變預應力鋼束的布置形式。由于配置在底板的預應力鋼束遠多于配置在頂板處的鋼束，即彎箱梁向外側扭轉的扭矩要大于向內側扭轉的扭矩，故在預應力混凝土連續梁中適當地配置了一些頂板預應力鋼束以改善梁體的扭轉變形并減小內側支座的拉反力。

5 結 語

該項目實施的兩座預應力混凝土連續彎箱梁目前正處于實施階段，施工中在采取了上述側向限位措施后取得了一定成效。但彎箱梁側向位移的發生需要經歷十分緩慢的過程，因此，有必要待工程完工后再及時布置觀測儀持續跟蹤觀測，對橋梁側向位移進行系統的研究，充分分析與其相關聯的因素，進一步完善上述采用的預防措施，將會取得更好的效果。