連續箱梁彎橋橫向爬移病害成因分析及處治方案

李永波

（遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，沈陽 110001）

0 引言

近年來，隨著我國橋梁建設的不斷發展，曲線橋在城市立交和高速匝道上得到了廣泛的應用。但曲線梁橋因彎扭耦合、支反力不均勻等復雜受力特征，使其受力機制與直線梁橋差異較大[1]，若設計時對影響結構安全的關鍵因素考慮不全面，則會使橋梁出現主梁爬移、橋墩開裂等病害。已有研究表明[2-7]，影響曲線橋爬移的主要內因有：幾何偏心效應、主梁曲率半徑、主梁截面形式、支承方式與支座形式、下部結構剛度以及預應力影響等；外部影響因素主要有：車輛荷載作用、溫度作用、混凝土收縮徐變等。并針對上述影響因素，提出了一些具有借鑒意義的處治方法及設計、施工建議。為了明確導致曲線橋主梁產生橫向爬移的最主要的原因，文中擬以一座高速匝道曲線橋為背景，通過計算，對該橋產生的橫向爬移病害進行分析評估，繼而提出有針對性的處治建議。

1 曲線橋爬移問題影響因素

1.1 內部因素

幾何偏心效應與直線橋梁不同，即使是橫截面左右完全對稱的彎梁橋，其重心也是偏向外側，并偏離主梁剪力中心的。并且曲線橋梁都會設置橫坡，使外側梁自重大于內側梁，加大偏心趨勢。因而，與直線梁橋相比，在自重作用下，曲線橋會有向外傾覆及爬移的趨勢。

曲率半徑是影響曲線梁橋爬移的主要因素之一。顯然，在圓心角不變的前提下，曲率半徑越小，曲線橋幾何偏心效應越明顯，梁端的側向爬移（徑向位移）越大。因此，爬移量與曲率半徑成反比。

主梁截面形式，抗扭剛度越大，即彎扭剛度比（k=EI/GId）越小，因曲率而導致的扭轉變形愈小，在外界荷載作用下側向位移就越??；反之則越大。

支座預偏心、支承形式優化能有效限制曲線橋恒載+預應力作用下的爬移，并能有效降低全橋扭矩及扭轉變形，但不能限制離心力作用下曲線橋的爬移。支座形式優化能有效限制曲線橋中離心力引起的爬移，但不能有效降低全橋扭矩及扭轉變形。

下部構造特征直接影響到上部結構的受力和變形，對于彎梁橋而言，尤其如此。這主要是由于橋墩高度不同或截面尺寸不同使其抗推剛度不同所致。

1.2 外部作用

1.2.1 車輛荷載作用

車輛行駛在曲線梁橋上，車輛荷載對橋梁有豎向力（車輛重力、沖擊力）、切向力（制動力）和徑向力（離心力）3 種力的作用。車輛荷載的豎向力和徑向力是導致箱體橫向爬移的主要因素。其中，豎向力的荷載效應是使梁體發生扭轉。對于徑向力，則是直徑使梁體橫向滑移，而且梁體發生橫橋向位移后，由于支座的摩擦力等因素的影響，在外荷載或引起其變化的因素消失后，側向位移并不能全部恢復，故會產生橫橋向殘余位移的不斷累積，即曲線梁橋的爬移現象。

1.2.2 溫度作用

溫度效應，包括年平均溫差（整體升、降溫）和日照驟變溫差（內外溫差和豎向梯度）。由于曲線橋內外弧長不同，易造成橋梁整體升溫或降溫過程中內外弧變形量不同，使曲線梁橋產生緩慢爬移現象。

1.2.3 混凝土收縮徐變

對于曲線梁橋而言，混凝土收縮、徐變的工作原理與整體降溫作用基本一致。

2 工程案例

2.1 工程概況

某匝道橋，建成于2016 年。該橋跨徑布置為（2×18+20+4×18）m；橋梁全長為135.06m；該橋平面位于R=200m 的圓曲線內，墩臺按徑向布置。橋面凈寬為9.5m，兩側均設置寬度為0.50m 的混凝土護欄；橋面鋪裝采用瀝青混凝土；有2 道型鋼伸縮縫，分別位于0#、7#臺頂。支座均采用盆式橡膠支座。上部結構為鋼筋混凝土現澆連續箱梁，梁寬為10.5m，梁高為1.4m，具體尺寸見圖1。

圖1 主梁跨中橫斷面示意圖（單位：mm）

下部結構：0#、7#橋臺均為鋼筋混凝土肋板式橋臺，3#墩為鋼筋混凝土圓形獨柱墩，墩頂設1個固定支座，1#、2#、4#、5#、6#墩均為鋼筋混凝土矩形獨柱墩，墩柱截面尺寸均為2.5×1.2m（橫橋向×順橋向），墩蓋梁高度均為1.8m，墩蓋梁頂均設置2個支座，曲線內側支座為單向活動支座，曲線外側支座為雙向活動支座，各橋墩墩高見表1，支座布置見圖2。墩臺基礎均采用樁基礎。設計荷載：公路-Ⅰ級。

圖2 支座布置圖

表1 各橋墩墩高

2.2 主要病害

根據檢測結果及現場照片，如圖3～圖5 所示，該橋主要病害如下：

圖3 4#墩蓋梁曲線外側擋塊受箱梁擠壓、開裂

圖4 支座上鋼板內側限位板擠壓破損

圖5 3#墩底曲線內側半環向裂縫

（1）第1～7 孔箱梁整體向曲線外側發生橫向移位，最大偏移3cm，1#、2#、4#、5#墩蓋梁右側擋塊受箱梁擠壓、開裂見圖3，裂縫寬度為18～25mm；曲線外側7個盆式橡膠支座橫向限位鋼板均脫焊見圖4。

（2）3#墩身曲線內側距地面0～4m 范圍內，出現多條橫向裂縫，寬度為0.2～0.4mm，最底部裂縫寬度最寬見圖5。

3 病害成因分析

3.1 計算模型

采用空間有限元計算軟件進行結構計算與分析，混凝土材料均采用線彈性材料進行模擬，計算模型如圖6 所示。

圖6 7 孔一聯連續箱梁計算模型（曲線半徑R=200m）

墩底基礎采用固結約束模擬，各墩臺頂支座形式見圖2，活動支座剛度取值為0，固定支座剛度取值為1×106kN/m。

根據第文中分析，影響曲線橋橫向爬移的外部作用主要是車輛荷載離心力、溫度作用和混凝土收縮徐變。由于混凝土收縮徐變與整體降溫作用機理基本一致，故計算時將二者合并考慮。

汽車荷載及制動力、離心力取值參照橋設計規范，JTG D 60-2015《公路橋涵設計通用規范》取值，汽車荷載為公路-I 級，按2 車道計算。溫度：整體升溫25℃，整體降溫30℃。

3.2 結果分析

該橋為彎橋，產生橫向力的主要作用是汽車荷載離心力和溫度作用。為了明確導致該橋病害的主要原因，對上述兩種作用產生的荷載效應進行了計算，計算結果見表2。

表2 支座橫向剪力kN

計算結果表明：①離心力是導致曲線橋產生橫向爬移的最主要的因素，溫度作用產生的橫向剪力僅為前者的3.5%～25%；②整體升溫對中支點產生的剪力朝向曲線內側，對邊支點（或次邊墩）產生的剪力朝向曲線外側；整體降溫產生的荷載效應與之相反；③3#墩頂固定支座受到的橫向剪力較小，原因是3#墩相比其他墩柱剛度較小，故分擔的橫向力也較小；④除3#墩外，6#墩頂支座橫向受力最小，原因是6#墩柱高度最大，橫向抗推剛度最小，分得的力也就最小，這也解釋了，全橋1#、2#、4#、5#、6#墩中，僅有6#墩蓋梁擋塊未發生破損的原因。

3.3 病害分析

根據上述文中計算結果可知，該橋主要病害成因分析如下：

（1）導致該橋主梁產生橫向爬移的主要因素是汽車荷載離心力，次要因素是溫度作用。

（2）3#墩墩柱底部出現橫向受彎裂縫，主要是因為其他墩頂支座橫向限位鋼板已失效，導致3#墩承擔了較大的彎矩和剪力。

3.4 病害處治

由于該橋主梁已發生整體爬移，且支座橫向限位已失效，首先應對梁體進行頂升、復位，并更換破壞的支座。該橋1#、2#、4#、5#墩蓋梁曲線外側擋塊均受主梁擠壓，產生嚴重的開裂，需要將其鑿除并重新澆筑。3#墩墩柱底部出現受彎裂縫，需對其進行抗彎加固，由于3#墩位于下穿路線中央分隔帶，采用增大截面法進行加固將侵占下穿道路建筑限界，故建議對3#墩柱采用粘貼纖維布法進行加固。

汽車荷載離心力是導致曲線橋產生橫向爬移的最主要的因素，為了防止該橋在主梁復位后再次產生橫向爬移，可采取的措施有：

（1）加強該橋的限載、限速措施，嚴禁超載或超速行駛。

（2）獨柱墩增設支座或改為多柱墩；③增設彈性側向支承或橫向限位裝置。

鑒于該橋僅3#墩頂采用單支座，其余墩臺頂均已采用雙支座，且3#墩受限于建筑限界，無法改為多柱墩（或在墩頂增加小蓋梁并增設支座）。故上述措施②不適用于該橋。措施③中，優先考慮在梁體和新澆筑擋塊間設減隔震橡膠塊，一是減隔震橡膠塊安裝方便；二是減隔震橡膠塊能有效防止梁體與擋塊間因直接接觸而發生擠壓破壞。

結合上述分析和橋梁病害現狀，對該橋提出如下處治方案：

（1）加強該橋的限載、限速措施。

（2）對該橋梁體進行頂升、復位，并更換破壞的支座。

（3）將破損的擋塊鑿除并重新澆筑，并在梁體與擋塊間設置減隔震橡膠塊。

（4）對3#墩柱采用粘貼纖維布法進行加固。

（5）徹底清除梁端、伸縮縫槽口垃圾，保證梁體的正常變形不受限制。

4 結語

文中通過分析曲線橋產生橫向爬移的影響因素并結合計算分析，可以得出如下結論：

（1）汽車荷載、溫度作用和混凝土收縮徐變均會導致曲線橋產生橫向爬移，其中汽車荷載離心力是主要原因。應重視曲線橋的限載、限速措施。

（2）整體升溫對中支點產生的剪力朝向曲線內側，對邊支點（或次邊墩）產生的剪力朝向曲線外側；整體降溫產生的荷載效應與之相反。

（3）采用合理的支承方式和支座形式，可以有效限制曲線橋的橫向爬移，但前提是支座和橫向限位擋塊未發生失效。橋墩抗推剛度對曲線橋橫向作用力的分配影響較大，設計時應盡量避免各墩柱高度差異較大的情況。

（4）綜合考慮該橋現狀及病害主要成因，對該橋提出的處置措施主要有：加強限載、限速措施；對梁體頂升復位，并更換支座；鑿除開裂擋塊后重新澆筑，并在梁體與擋塊間設置減隔震橡膠塊。