曲線梁橋常見病害分析及處治措施

陳 航

(1.福建省交通科研院有限公司； 2.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350004)

在現(xiàn)代橋梁工程中，特別是在立交樞紐工程、高架橋工程及山區(qū)高速公路中， 橋梁設(shè)計(jì)需服從路線基本走向要求，不可避免地要采用曲線橋梁。由于曲線橋在平面外形上的特性， 使曲線橋的質(zhì)量重心通常是位于桿軸線兩端連線之外，這就造成即便桿件只承受自重荷載，結(jié)構(gòu)除產(chǎn)生彎矩外，還會產(chǎn)生扭矩[1]，曲線梁橋的受力特點(diǎn)為彎扭耦合。 由于曲線橋受力狀態(tài)為彎曲與扭轉(zhuǎn)耦合存在，使得曲線橋常見病害為曲線內(nèi)側(cè)支座脫空、梁端側(cè)向爬行[2]。 以下結(jié)合一曲線橋梁的支座脫空、梁體橫向爬行病害實(shí)例，分析曲線梁橋的受力特點(diǎn)，總結(jié)病害原因，提出處治措施及曲線梁橋的設(shè)計(jì)建議。

1 案例概況

某高速公路匝道橋如圖1 所示， 平面處在R=55 m的圓曲線范圍內(nèi)，橋跨組合為(18+4×20+18)m，上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)空心板梁，空心板梁高1.2 m，頂寬9.0 m、底寬4.5 m，采用40# 混凝土；下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土實(shí)心單柱式、雙柱式墩，鋼筋混凝土鉆孔灌注單排樁基礎(chǔ)；鋼筋混凝土肋式臺，鋼筋混凝土鉆孔灌注單排樁。采用球型支座， 支座布置為0 號、3 號、6 號支點(diǎn)為雙支座，支座橫向間距0 號為3.9 m，3 號、6 號為3.25 m；其余為單支座， 支座布置于梁中心線向曲線外側(cè)預(yù)偏心的20 cm 處。

圖1 匝道橋橋型及結(jié)構(gòu)斷面及支撐示意(單位：m)

主要病害為0 號臺、6 號墩支座滑移，滑移量逐年增大，即梁端側(cè)向爬行(表現(xiàn)為伸縮縫出現(xiàn)上下錯(cuò)位，如圖2所示)，同時(shí)0 號臺和6 號墩上曲線內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)脫空。

圖2 伸縮縫處標(biāo)線錯(cuò)位

2 受力及病害分析

2.1 受力分析

曲線橋梁的特點(diǎn)是空間受力， 其平面彎曲對彎矩和剪力的影響不大，但對扭矩有較大的影響。曲線橋梁所承受的荷載，包括恒載、預(yù)應(yīng)力荷載、活載、溫度荷載等均能產(chǎn)生扭矩(圖3)，扭矩由跨間傳向支點(diǎn)，如果中間設(shè)獨(dú)柱墩，則扭矩傳遞到相鄰跨。

圖3 曲線梁橋扭矩示意

案例橋梁采用MIDAS 空間程序進(jìn)行計(jì)算，以支座脫空及梁端側(cè)向爬行病害最為嚴(yán)重的6 號墩作為研究對象， 分三個(gè)工況分別計(jì)算各個(gè)荷載單項(xiàng)及荷載組合在6號墩處梁端的扭矩、剪力及支反力結(jié)果，其計(jì)算見表1～3。

工況一：單支點(diǎn)支撐于空心板中心線，雙支點(diǎn)0 號墩間距3.9 m，3 號、6 號間距3.25 m；

工況二：原設(shè)計(jì)工況，即單支點(diǎn)向曲線側(cè)偏移20 cm，其余與工況一同；

工況三：6 號雙支點(diǎn)的曲線外側(cè)支點(diǎn)外移0.5 m，其余與工況一同。

表1 工況一計(jì)算結(jié)果

表2 工況二計(jì)算結(jié)果

表3 工況三計(jì)算結(jié)果

綜合表1～3，可得出如下結(jié)果：

⑴在原設(shè)計(jì)狀態(tài)即工況二，6 號墩內(nèi)弧側(cè)支點(diǎn)荷載最小組合值為負(fù)反力， 表現(xiàn)為夏季白晝午后高溫時(shí)期出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象，與檢測報(bào)告及現(xiàn)場觀測結(jié)果相吻合。

⑵引起曲線橋梁內(nèi)弧側(cè)支座產(chǎn)生負(fù)反力的荷載主要是結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力二次矩、截面豎向梯度升溫及汽車的偏載作用。

⑶單支點(diǎn)設(shè)置預(yù)偏心、雙支點(diǎn)外弧側(cè)支點(diǎn)外移，都可以降低內(nèi)弧側(cè)支點(diǎn)的負(fù)反力， 但是單支點(diǎn)設(shè)置預(yù)偏心僅對自重及汽車偏載有效果，對預(yù)應(yīng)力二次矩、截面豎向梯度升溫兩種荷載基本無效， 而外弧側(cè)支點(diǎn)外移對4 種荷載均有降低負(fù)反力的效應(yīng)。

⑷根據(jù)梁端分離體受力平衡及表1～3，引入e1、e2參數(shù)，對于單項(xiàng)荷載可得到方程如下：

式中：T 為 梁端扭，Q 為 梁 端 剪 力，F(xiàn)1、F2分 別 為 曲 線內(nèi)外支點(diǎn)反力，e1、e2分別為曲線內(nèi)、 外支點(diǎn)至梁中心線距離。

對于給定的橋梁結(jié)構(gòu)及運(yùn)營使用狀況， 梁端的扭矩T 和剪力Q 可近似看成定值，根據(jù)式(1)及式(2)，要使曲線內(nèi)側(cè)支反力F1不出現(xiàn)負(fù)反力，調(diào)整支座中心線至梁中心線距離是行之有效的方法。

2.2 病害分析

造成曲線橋的側(cè)向爬行病害的原因主要有： 汽車荷載和支座脫空。 汽車在曲線橋上行駛過程產(chǎn)生的離心力使橋梁承受向曲線外側(cè)的徑向力。 物體的熱脹冷縮使曲線橋梁在夏天升溫時(shí)向外側(cè)移動， 冬天降溫時(shí)向內(nèi)側(cè)移動；因扭矩作用下，有向曲線外側(cè)扭轉(zhuǎn)的趨勢，使得墩頂有向外側(cè)的轉(zhuǎn)角，當(dāng)轉(zhuǎn)角大到一定程度，即出現(xiàn)曲線內(nèi)側(cè)支座脫空，按設(shè)計(jì)支座安裝要求其頂面應(yīng)為水平的，如梁體扭轉(zhuǎn)引起支座脫空， 按本案例脫空3 cm、 支座間距3.25 m 計(jì)， 使得受壓支座頂面的向曲線外側(cè)傾斜度在不考慮支座壓縮情況下增量接近1%，在重力作用下，向下移動容易，向上移動困難，與汽車荷載的徑向力疊加，長期運(yùn)營后就造成向曲線外側(cè)的爬行。

3 加固方案及加固效果

根據(jù)對曲線橋梁的受力分析， 其加固方案采用加長端橫梁外側(cè)的長度，將聯(lián)端的外弧側(cè)支座外移。 6 號墩加固措施為曲線外側(cè)支座距箱中心線e20=1.625 m， 往外側(cè)移動0.8 m，檢測報(bào)告梁體向外爬行9.5 cm，外側(cè)支座調(diào)整后距箱中心線為e2=2.33 m；內(nèi)側(cè)支座未調(diào)整，距箱中心線為e1=1.72 m，并增設(shè)橫向限位擋塊。 通過計(jì)算得到內(nèi)弧側(cè)支座組合最小支反力為230 kN， 支座承受壓力，不脫空；從后期運(yùn)營情況看，梁體的爬行未出現(xiàn)增量。

4 結(jié)論

曲線梁橋因受力特點(diǎn)為彎扭耦合， 這就決定曲線梁橋的常見病害為內(nèi)弧側(cè)支座脫空及梁體橫向爬行。 經(jīng)分析，內(nèi)弧側(cè)支座脫空會加劇梁體的橫向爬行，故在曲線梁橋的舊橋病害處治或新橋的設(shè)計(jì)中， 保證內(nèi)弧側(cè)支座不脫空是減少橋梁病害產(chǎn)生的關(guān)鍵。

引起內(nèi)弧側(cè)支座脫空的荷載類型有結(jié)構(gòu)自重、 預(yù)應(yīng)力二次矩、截面豎向梯度升溫和汽車荷載4 種，單支撐設(shè)置預(yù)偏心只能抵消結(jié)構(gòu)自重和汽車荷載產(chǎn)生的扭矩，雙支點(diǎn)間距的調(diào)整則對4 種荷載產(chǎn)生的扭矩均可抵消，在曲線梁橋設(shè)計(jì)時(shí)，若條件允許宜按雙支點(diǎn)設(shè)計(jì)。

超靜定結(jié)構(gòu)曲線梁橋的預(yù)應(yīng)力二次矩是引起內(nèi)弧側(cè)支座脫空的因素之一，設(shè)計(jì)時(shí)宜合理設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力布束，預(yù)應(yīng)力布置不宜過強(qiáng)。