某斜交T 梁橋偏位成因分析及糾偏技術探析

林廣宇

（甘肅省蘭州公路事業發展中心高速公路養護所，甘肅蘭州 730030）

引言

我國建于21 世紀初的高速公路中、大梁橋中，上部結構采用預應力混凝土T 梁，下部結構采用樁柱式墩、肋板式橋臺的梁橋占一定比例，此橋梁結構形式應用于大角度斜交梁橋設計中，若剛度儲備不足，易發生梁體偏位，影響橋梁運營安全。隨著高速公路交通量劇增、重載交通發展，大角度斜交橋梁體橫向爬移偏位病害進一步加劇，如不干預極易發生落梁事故，國內關于此類事故的報道屢見不鮮，因此，對于大角度斜交梁橋偏位糾偏加固迫在眉睫。結合某高速公路斜交T 梁橋-王家灣大橋糾偏加固工程，探討大角度斜交T 梁橋偏位病害成因及糾偏加固方法，為同類工程提供參考。

1 工程概況

王家灣大橋位于某高速公路緩和曲線和直線上，橋面縱坡-1.651%，斜交角50°，橋梁全長181.0 m，全寬24.5 m，共2 聯，跨徑組合3×25 m+4×25 m，分左右兩幅，單幅橫向設6 片梁，單幅橋面橫向布置為：0.5 m(護欄）+11 m(行車道）+0.5 m(護欄）。上部結構采用裝配式預應力混凝土T 梁，梁高1.5 m，跨中T 梁肋板厚0.15 m，支座處T 梁肋板厚0.4 m，預制吊裝，先簡支后連續；下部結構采用雙柱式墩(柱徑1.2 m，柱高16～17 m），墩蓋梁高1.2 m，肋板式橋臺，鉆孔灌注樁基礎(樁徑1.5 m，樁長15～22 m）；橋面鋪裝為8 cm 瀝青混凝土+防水層+16 cm 鋼筋混凝土，橋臺及過渡墩處設FD-80 型模數式伸縮縫。

2 橋梁偏位及主要病害概況

2.1 主梁病害

圖1 上部結構總體變位示意圖

2.2 橫隔板病害

本橋T 梁僅設與T 梁一起預制的端橫隔板。上部結構拼裝時，相鄰兩片橫隔板采用焊接鋼板連接，鋼板銹蝕、勾縫砂漿局部脫落普遍，相鄰跨橫隔板間無墩頂現澆段。橫隔板豎向裂縫40.4 m/46 條，最大縫寬0.5 mm。

2.3 支座病害

全橋支座多數存在順、橫橋向剪切變形，部分支座剪切變形呈“整體扭轉”趨勢，多數支座剪切變形方向與“梁體逆時針旋轉”趨勢一致，越靠近橋臺，支座剪切變形方向越明顯向T 梁聯端銳角方向；全橋支座墊石上表面平整度差，部分呈“中間高、四角低”狀，導致部分支座尤其橋臺處主梁支座滑動明顯，個別支座有滑出墊石趨勢。見圖2、圖3。

圖2 左幅0 號臺3 號支座滑動

圖3 左幅3 號墩3 號支座剪切變形

2.4 蓋梁病害

蓋梁正彎矩區底部存在較多橫向裂縫共121.2 m/183 條，間距20～50 cm，最大縫寬0.15 mm，部分裂縫延伸至蓋梁側面，呈“L”型，部分蓋梁頂部有垃圾堆積。

2.5 擋塊病害

橋臺銳角處擋塊部分完全損毀，部分開裂傾斜。T 梁相對支座墊石有明顯向銳角滑動痕跡；擋塊與梁體抵死30 處、破損10 處。

2.6 橋墩病害

左、右幅橋墩均存在不同程度的傾斜，傾斜度絕大多數不滿足規范要求，柱頂最大傾斜值12.9 cm，最大傾斜度1.1%；以路線前進方向為正方向，絕大多數墩柱均有向左偏后方傾斜趨勢；第二聯橋墩傾斜度較第一聯大，見圖4。左幅橋臺側墩背均有環向裂縫35.6 m/48 條，最大縫寬0.24 mm。右幅地面線以上橋臺側全部墩背有環向裂縫55.2 m/48 條，最大縫寬1 mm。橋梁右側因工業園區建設，有大量土方堆積，高度10～16 m，堆載底面緊靠右幅第二聯橋墩。

圖4 橋墩傾斜度測量結果示意圖

2.7 系梁病害

左幅4-1#墩系梁前側面、頂面、后側面有環向裂縫5.5 m/3 條，最大縫寬0.4 mm。右幅4-2#、5-2#、6-2#墩系梁前側面、頂面、后側面有環向裂縫16.1 m/7 條，最大寬0.4 mm。

2.8 橋臺病害

左右幅7#臺帽相對移動，右幅較左幅臺帽向小樁號方向水平位移5～6 cm。右幅0 號臺背墻破損露筋2m2。0#、7#臺前護坡坡比不足1:1.5，坡面漿砌片石防護多處沉陷、鼓包。

3 有限元模擬與病害成因分析

3.1 橋梁整體有限元數值模擬

通過MidasCivil 橋梁有限元模型驗算原橋承載力及剛度結果表明：王家灣大橋原設計上部結構承載力極限狀態及正常使用極限狀態滿足要求；橋臺肋板承載力和抗裂滿足要求，但肋板頂截面裂縫計算值0.15 mm 儲備較小，在土壓力平衡打破、支座卡死等情況下橋臺肋板受力狀態超限；橋臺樁頂反力2 943.8 kN 小于承載力3 199.7 kN，滿足要求，但儲備很小，裂縫寬度計算值0.1 mm；橋墩及樁基承載力滿足要求，裂縫寬度計算最大值0.153 mm，儲備較小；蓋梁承載力和抗裂滿足要求，墩頂截面最大縫寬計算值0.167 mm，儲備較小。綜上，該橋符合建設時期規范，屬于經濟結構，承載力及剛度儲備不足。

1) 霧滴飄移是由于自然氣流運動產生的作用力推動其運動產生的。輔助氣流通過改變自然氣流速度方向，脅迫其向下運動而減少飄移量。

3.2 梁體偏移數值分析

上部結構在恒載、活載（包括汽車沖擊力）以及溫度作用下呈逆時針旋轉，蘭州方向銳角向偏移-26 mm，白銀側銳角向偏移4.9 mm；在地震作用下呈逆時針旋轉，與橋梁實際變形吻合，銳角處最大橫向位移48 mm；以上為理論計算值，實際橋梁偏移在恒載、活載、溫度、地震等多項荷載作用下不斷疊加，逐步增大。此外，由于斜交橋梁自身“爬移”特性，綜合荷載因素以及全橋墩柱剛度偏低、墊石不平、支座局部脫空、粱與梁及梁與臺背間局部抵死等原因加劇了梁體偏移[4]。

3.3 墩柱偏移、開裂分析

墩柱在荷載作用下順橋向最大位移30.9 mm，與橋梁實際變形吻合。墩柱在地震作用下順橋向最大位移43 mm，與橋梁實際變形吻合。綜合斜橋爬移特性及原橋墩、樁基設計剛度儲備值低等因素，墩柱發生偏移、變形和開裂。廠區堆載加重了墩柱偏位。

3.4 橋臺偏移分析

由于臺前護坡坡比不足1:1.5 且護坡沉降導致臺前土壓力降低，臺前后土壓力不平衡，導致橋臺向橋跨方向偏移。

3.5 病害成因綜合分析

綜合以上分析，橋梁上下部結構偏位主要由以下幾方面原因造成：

（1） 該斜交橋上部結構形心與轉動中心不重合且50°斜交角偏大，在溫度、恒活載作用下，產生不平衡力矩，引起上部結構在平面內轉動，梁體偏移。

（2） 與近年設計的橋梁相比，該橋上部結構梁高偏小，腹板及翼緣偏薄，全橋未設置中橫隔板，橫向剛度偏低；下部結構墩蓋梁及橋臺帽梁高度偏小，墩臺樁基樁徑小、樁數少，縱橫向剛度偏低。橋梁整體剛度及承載力儲備不足，導致橋梁抗扭轉能力較差，是該斜交橋偏位的內因之一。

（3） 伸縮縫堵死、支座偏移后，荷載作用下斜交橋不平衡力矩增大且持續存在，導致本橋上部結構變位持續發展。

（4） 橋梁右側大方量堆載加劇了橋墩與上部結構偏移的相互影響。

（5） T 梁與橋臺背墻抵死，梁體相對支座滑移，此“基礎爬移”疊加溫度、外載因素加劇了上部結構“爬移”及橋墩偏位。

4 加固及糾偏方案設計

4.1 整體加固工序

a. 施工前對橋梁構造尺寸及技術狀況進行現場復查，測量梁墩等關鍵部位高程。b.清理梁、墩混凝土破損、滲水、泛堿及鋼筋外露銹蝕區域，對裂縫進行灌縫處理。c.混凝土破損及露筋、滲水區域表面涂刷強滲透型阻銹劑，破損處聚合物砂漿修復，滲水泛堿處涂刷防腐涂料。d.頂升上部結構釋放墩柱彈性變形，待橋墩變形穩定后上部結構復位。e.開挖基坑，原系梁裂縫處治、加設樁基礎、增設承臺。f.依次進行橋墩、蓋梁、梁橫隔板增大截面施工。g.上部結構糾偏。h.頂升更換全橋支座，修復墊石。i.澆筑擋塊，修復伸縮縫。j.橋臺前夯填土方反壓，錐護坡及防排水設施修復。

4.2 糾偏工序

糾偏前鑿除原伸縮縫、擋塊，清理梁與墩、臺間混凝土垃圾，切斷梁與墩、臺聯系[5]。糾偏分兩步進行，先進行上部結構整體頂升使原偏位橋墩恢復彈性形變，待墩柱在有限范圍內自然回位穩定后，復測各墩、臺位置梁體偏移情況，修正設計糾偏量，然后進行橋梁上部結構及下部結構加固[3]。增加結構剛度包括樁、承臺、墩、蓋梁、橫隔板加固：原橋墩下增直徑1.2 m 樁40 個；增設連接新舊樁承臺20 個；24 根墩截面直徑由1.2 m 增至1.6 m；墩蓋梁增大截面；端橫隔板厚由15 cm 增至30 cm；最后進行上部結構整體橫縱向糾偏復位。整體頂升后，所有支座頂面設帶硅脂的四氟滑板作為上部結構臨時滑動面，為防止落梁事故，需在支座周圍設置臨時鋼墊塊支撐后再落梁[2]。依托蓋梁兩端鋼反力架及梁肋頂點混凝土鍥塊，按設計要求分步頂推，頂推方向與橫隔板一致，橫、縱向頂推間歇進行，直至梁體復位達到設計要求。

4.2.1 安裝反力架

墩柱蓋梁兩側設頂推鋼反力架，采用錨栓植入蓋梁連接。順橋向伸縮縫處每條梁肋后設千斤頂，將相鄰聯跨過渡墩和橋臺梁端間隙用千斤頂卡頂。

4.2.2 安裝水平頂推裝置[1]

安裝水平滑動裝置時，千斤頂承壓不宜長時間作業。須在橫向反力架與千斤頂后座間加設臨時鋼板，以保證在梁在有限的千斤頂行程下達到更大的橫向位移。

4.2.3 橫向復位[1]

在橫向頂推前須進行頂推力計算。橫向頂推力加載必須分級進行，每級加載后須在千斤頂后座與橫向反力架間設支墊鋼板，以保證下一級頂推順利進行。分級次數根據現場實際情況確定，每次頂推后暫停5 min，復檢全部系統，無異常后再進行下級加載。

4.2.4 頂升更換支座、落梁、限位

確認橫向頂推到位且無異常后，拆除千斤頂及反力架。最后，再次頂升各墩位主梁，安裝新支座后落梁[1]。對照原設計圖紙，檢測梁、支座、墊石三者之間位置關系，確認符合原設計要求。通過有限元分析梁體安全性能滿足成橋后狀態，即可設置限位擋塊，完成限位。

4.2.5 施工監控

王家灣大橋糾偏復位施工監控主要包括梁體及墩柱位移監測、蓋梁及墩柱應力監測兩項內容，通過實時監控來保證復位準確，應力控制得當，結構安全穩定。通過位移及應變檢測，王家灣大橋糾偏后，左幅第一聯0#臺銳角右側邊梁伸縮縫處最大糾偏量0.066 m，左幅第二聯7#臺銳角左側邊梁伸縮縫處最大糾偏量0.126 m；右幅第一聯0#臺銳角右側邊梁伸縮縫處最大糾偏量0.089 m，第二聯7#臺銳角左側邊梁伸縮縫處最大糾偏量0.085 m；墩柱橫橋向水平位移最大值0.012 m，縱橋向水平位移最大值0.014 m，墩柱垂直度均滿足規范要求。墩底應力最大微應變值出現在左幅第1 聯3-1#墩底部左側面，為116 με；蓋梁局部應力最大微應變值出現在左幅4#蓋梁后側面，為28 με。墩柱及蓋梁最大應變均滿足規范要求。

5 加固及糾偏效果

通過有限元數值模擬驗算，加固后梁體偏移量、墩柱偏移量與加固前變形相比，偏移量減少，說明加固提高了結構剛度儲備，上部結構逆時針旋轉及墩柱偏位趨勢減弱。通過增設樁基，樁頂反力減小，提高了樁基承載力儲備，加固效果滿足設計需求。王家灣大橋糾偏加固工程于2019 年實施完成，截至2022 年已運營近三年，目前上部結構未發生爬移病害反彈，墩柱垂直度未發現超過現行規范允許值，結構常使用狀態良好，糾偏加固效果顯著。

6 結論

大角度斜交橋梁在恒活載作用下，梁體受力狀態較為復雜，存在扭轉及橫向爬移趨勢，若受結構本身剛度儲備不足，橋梁存在支座脫空、剪切變形、伸縮縫變形、伸縮縫處有填塞物擠死、梁與臺背間抵死等病害，橋梁上、下部結構極易發生橫向偏位，危及結構安全。斜交橋梁的糾偏及加固需要綜合考慮結構剛度、承載力因素，先提高結構抗扭轉、抗“爬移”能力，再結合千斤頂頂升糾偏復位技術進行橋梁結構復位，效果較好。