混凝土曲線梁橋的主梁爬移機(jī)理研究

肖 健 劉 康

（1.贛州城市投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司，贛州 341000；2.南昌順凱工程咨詢有限公司，南昌 330031）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的騰飛和各項事業(yè)的迅猛發(fā)展，為緩解交通壓力，橋梁和公路的建設(shè)需求逐漸增大。混凝土曲線梁橋不僅線形美觀，能夠適應(yīng)復(fù)雜的路線曲線線形，而且工程造價相對鋼結(jié)構(gòu)曲線梁橋更為低廉。混凝土曲線梁橋的養(yǎng)護(hù)成本和養(yǎng)護(hù)難度均比鋼結(jié)構(gòu)曲線梁橋低，因此被廣泛應(yīng)用于城市立交、高速公路曲線段。有時在一些山區(qū)道路中，由于地形限制導(dǎo)致的道路平曲線指標(biāo)較低時，曲線梁橋成為路橋工程師迫不得已用來跨越深溝和道路展線的選擇方案。目前，曲線梁橋是現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)中的重要橋型[1-3]。

由于存在橋梁曲率的影響，混凝土曲線梁橋在截面發(fā)生豎向彎曲的同時會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致混凝土曲線梁橋的變形比同跨徑的直線橋梁大，且外邊緣撓度、外側(cè)支反力、外梁荷載均變大，同時內(nèi)側(cè)支反力降低甚至出現(xiàn)負(fù)反力，橋梁支座設(shè)置更復(fù)雜。此外，曲線梁橋更易出現(xiàn)橫向穩(wěn)定問題，且預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對支反力的分配影響明顯[4-7]。混凝土曲線梁橋獨特的受力特點導(dǎo)致混凝土曲線梁橋在使用過程中常出現(xiàn)主梁爬移、梁體裂縫、支座橫移、脫空及橋墩壓潰以及裂縫等病害[8-11]。

混凝土曲線梁橋日益增多的病害及安全事故問題，引來國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員的注意。國內(nèi)外學(xué)者和工程人員先后對混凝土曲線梁橋的病害及安全問題進(jìn)行了一些有針對性的研究和實踐，從設(shè)計、施工方面均提出了相應(yīng)的預(yù)防和處置措施[12-14]。例如：設(shè)置合理的支承方式，盡量減少獨柱墩單支承設(shè)計；為了限制橋梁在恒載和活載下的側(cè)向位移，安裝側(cè)向彈性限位支座加強(qiáng)下部結(jié)構(gòu)柔度；為了限制預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的側(cè)向位移，非對稱設(shè)計預(yù)應(yīng)力曲線箱梁橋預(yù)應(yīng)力鋼束張拉力，在箱梁內(nèi)設(shè)置方向相反的預(yù)應(yīng)力鋼筋；為了減小預(yù)應(yīng)力施工過程中預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的側(cè)向不平衡位移，在預(yù)應(yīng)力時遵循總體對稱和內(nèi)外有別原則，曲線內(nèi)側(cè)的預(yù)應(yīng)力鋼束適當(dāng)超張拉，而曲線內(nèi)側(cè)的預(yù)應(yīng)力鋼束維持原張拉控制力；在混凝土曲線梁橋施工階段也應(yīng)該采取一些側(cè)向臨時限位措施，防止橋梁在施工階段出現(xiàn)側(cè)向滑移[15]。上述研究主要針對混凝土曲線梁橋的受力和設(shè)計進(jìn)行研究，而對于已經(jīng)通車運(yùn)營的混凝土曲線梁橋的病害形成機(jī)理和影響因素研究較少。

本文對某高速公路互通匝道橋中8座混凝土曲線梁橋在運(yùn)營過程中出現(xiàn)的主要病害進(jìn)行調(diào)查，分析混凝土曲線梁橋的典型病害，并通過影響因素分析研究橋梁結(jié)構(gòu)典型病害產(chǎn)生的機(jī)理。

1 工程概況

某高速于2008年1月建成通車，通過外觀檢測發(fā)現(xiàn)大部分曲線混凝土橋梁存在主梁爬移、梁體裂縫、支座橫移、脫空以及裂縫等病害，其中互通A匝道和F匝道橋病害最具代表性。該橋平面在AK0+0.000～AK0+313.770段內(nèi)位于R=300 m的右偏圓曲線上；在AK0+313.770～AK0+361.770段位于R1=300 m、R2=60 m、A=60 m的緩和曲線上；在AK0+361.770～AK440.821段 位 于R=60 m的 右偏圓曲線上。縱斷面位于R=1 000 m的豎曲線上，縱坡為-4%～4%。該橋縱向布置為（5×20） m+（25+2×30+25）m+（3×20+17）m，共分3聯(lián)。主梁為鋼筋混凝現(xiàn)澆箱梁，橋面凈寬14 m，橋面設(shè)單向2%～6%的橫坡。下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋臺、獨柱式橋墩以及鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁設(shè)計荷載采用汽車-超20級和掛車-120。A匝道橋出現(xiàn)的病害如表1所示。

表1 橋梁病害總結(jié)

圖2為該橋位于曲線段第11跨箱梁裂縫展開圖。該跨梁底支座均有不同程度的損壞，支座偏位，限位裝置鋼板斷裂或脫落，如圖3所示。

圖2 A匝道橋箱梁裂縫展開示意圖

圖3 A匝道橋橋墩限位裝置鋼板脫落

F匝道橋全長679.72 m，該橋平面位于R=6 987.5 m的圓曲線、A=90 m的緩和曲線和R=80 m的圓曲線上，立面上處于R=2 064.864 m的凹曲線，橫坡由2%過渡為6%。共分5聯(lián)，跨徑布置為2×（3×25） m+4×25 m+2×（3×25） m，其中4×25 m聯(lián)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)曲線梁橋，主梁采用等截面連續(xù)箱梁，橋梁設(shè)計荷載為汽車-超20級和掛車-120。該橋出現(xiàn)的病害見表2。

表2 橋梁病害總結(jié)

2 主梁爬移形成機(jī)制影響因素分析

2.1 概述

產(chǎn)生上述病害的曲線梁橋，既有因為未結(jié)合曲線梁橋的復(fù)雜受力特點進(jìn)行針對性的設(shè)計所致，也有因為施工階段的澆筑、振搗、養(yǎng)生及拆模等環(huán)節(jié)未根據(jù)曲線梁橋的特點而出現(xiàn)不合理的施工操作所致，究其本質(zhì)是對曲線梁橋的研究認(rèn)識不透徹，沒有完全掌握混凝土曲線梁橋在溫度、收縮徐變以及基礎(chǔ)沉降等因素下曲線橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點。本文以F匝道橋為例，采用有限元數(shù)值分析方法對溫度、收縮徐變以及基礎(chǔ)沉降等因素下曲線橋梁結(jié)構(gòu)橫向位移進(jìn)行分析。

2.2 溫度影響

混凝土材料熱傳導(dǎo)性能差，復(fù)雜環(huán)境下的溫度變化會使混凝土構(gòu)件各個部分有著不同的溫度，這種構(gòu)件各個部分的溫差稱為溫度梯度。溫度梯度效應(yīng)會導(dǎo)致混凝土材料產(chǎn)生溫度梯度變形，對混凝土曲線梁橋的影響復(fù)雜。對其在溫度作用下的各向偏移進(jìn)行研究，各墩臺在系統(tǒng)升溫作用下的各向位移見表3。通過表3可知，混凝土曲線梁橋在溫度整體升降溫、溫度梯度的作用下，將對梁體產(chǎn)生溫度內(nèi)力，并發(fā)生顯著的縱橫向偏移。溫度整體升降溫為爬移形成的主要原因。其中，若支座形式選取不當(dāng)，將不利于橋梁的下部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致出現(xiàn)側(cè)向限位擋塊、墩柱開裂等曲線梁橋的典型病害。

表3 不同溫度作用下橋梁各墩臺的各向位移 單位：mm

2.3 收縮徐變影響

工程界已經(jīng)對混凝土的收縮徐變效應(yīng)進(jìn)行了深入研究。收縮徐變效應(yīng)對混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響不可忽視。對于混凝土曲線梁橋而言，收縮徐變效應(yīng)的影響不同于直線梁橋。在不同施工階段的混凝土曲線梁橋內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土產(chǎn)生的徐變變形會使后續(xù)施工階段出現(xiàn)約束次內(nèi)力。根據(jù)某曲線梁橋建立施工全過程的有限元模型，考慮混凝土材料的時間依存性，分析混凝土曲線梁橋的內(nèi)力和變形時，依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2004），采用收縮徐變數(shù)學(xué)模型，采用有限元逐步分析法進(jìn)行計算，分別計算了收縮徐變終止時間為成橋后3年和10年時收縮徐變對結(jié)構(gòu)的影響，如圖4和圖5所示。其中，收縮徐變函數(shù)采用中國公路橋涵04規(guī)范。

圖4 各收縮終止時間下橫向偏移

圖5 各收縮終止時間下縱向偏移

收縮徐變效應(yīng)對混凝土曲線梁橋的偏移和內(nèi)力的影響長期存在。混凝土曲線梁橋施工時，應(yīng)在可控制的成本和進(jìn)度范圍內(nèi)盡可能提高曲線梁橋的張拉齡期。建議在滿堂支架上澆筑完成放置1個月后再進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，以減弱混凝土收縮徐變效應(yīng)對運(yùn)營階段橋梁內(nèi)力的影響，減少曲線梁橋后期爬移現(xiàn)象的不利影響。

2.4 基礎(chǔ)沉降

混凝土曲線梁橋的基礎(chǔ)沉降對橋梁受力的影響不可忽視。如果不予以重視，基礎(chǔ)產(chǎn)生的沉降特別是墩臺間的不均勻沉降可能會對橋梁產(chǎn)生極大危害。通過對該橋1#～3#墩基礎(chǔ)單側(cè)分別設(shè)置5 mm沉降進(jìn)行分析。該工況下橋梁位移見表4，可知同一墩位處的基礎(chǔ)沉降會對曲線梁橋的橫向偏移產(chǎn)生一定影響。因此，橋梁施工運(yùn)用期間加強(qiáng)支座的檢查和養(yǎng)護(hù)十分必要。

表4 基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生的的橋梁位移 單位：mm

3 結(jié)論

（1）混凝土曲線梁橋在溫度整體升降溫、溫度梯度作用下將對梁體產(chǎn)生溫度內(nèi)力，并產(chǎn)生顯著的縱橫向偏移。溫度整體升降溫為爬移形成的主要原因。其中，若支座形式選取不當(dāng)，會對橋梁的下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致出現(xiàn)側(cè)向限位擋塊、墩柱開裂等曲線梁橋的典型病害。

（2）收縮徐變效應(yīng)對混凝土曲線梁橋的偏移和內(nèi)力的影響是長期存在的。混凝土曲線梁橋施工時，應(yīng)在可以控制的成本和進(jìn)度范圍內(nèi)盡可能提高曲線梁橋的張拉齡期。建議在滿堂支架上澆筑完成放置至少1個月后再進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉，以減弱混凝土收縮徐變效應(yīng)對運(yùn)營階段橋梁內(nèi)力的影響，并減少曲線梁橋后期爬移現(xiàn)象的不利影響。

（3）同一墩位處的基礎(chǔ)沉降會對曲線梁橋的橫向偏移產(chǎn)生一定影響，因此橋梁施工運(yùn)用期間加強(qiáng)支座的檢查和養(yǎng)護(hù)十分必要。