鄭 超

曲線匝道橋梁體橫向滑移的成因分析與處治

鄭 超

鄭 超

鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院

曲線匝道橋一般平面半徑較小，橫向滑移現(xiàn)象較為突出。本文通過(guò)工程實(shí)例，結(jié)合空間計(jì)算軟件midas civil對(duì)支座橫向受力進(jìn)行了檢算并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，通過(guò)分析總結(jié)出橫向梯度溫度和離心力是梁體產(chǎn)生橫向滑移的主要原因，并針對(duì)性地提出了合理有效的治理措施。

1 引言

近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、公路路網(wǎng)及城市道路交通量的不斷增大，為了解決交叉道路間交通流的轉(zhuǎn)換，互通式立體交叉的數(shù)量也在不斷增多。曲線匝道橋作為互通式立體交叉的重要組成部分，作為小半徑彎橋的代表橋型，其典型的支座脫空、梁體橫向滑移、翹曲、橫向失穩(wěn)等病害現(xiàn)象也越來(lái)越突出，不僅影響行車舒適性，并且產(chǎn)生較大的安全隱患。為了有效地對(duì)此類病害進(jìn)行處治，首先需要對(duì)曲線匝道橋的病害成因進(jìn)行分析，進(jìn)而針對(duì)性地提出處理措施，以消除病害確保橋梁處于健康、安全的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

2 工程實(shí)例

某互通式立交匝道橋平面位于R=300m圓曲線和緩和曲線上，該橋上部構(gòu)造為3×25+4×25+（37.5+45.7+45.7+37.5）+4×25+3×25m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，單箱單室截面，橋?qū)?.5m，聯(lián)與聯(lián)之間采用牛腿搭接，全橋共5聯(lián)。該橋下部結(jié)構(gòu)采用花瓶型獨(dú)柱橋墩，設(shè)雙支座，基礎(chǔ)為雙柱（單排）或四柱（群樁）鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)與墩身間采用承臺(tái)連接，橋臺(tái)為輕型薄壁式橋臺(tái)。

圖1 匝道主梁支座橫向滑移示意圖

主梁和支座橫向滑移集中出現(xiàn)在第3聯(lián)，其它聯(lián)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的病害。第3聯(lián)的11#墩處主梁、支座向曲線外側(cè)滑移最大，滑移值40cm； 10#、11#墩支座限位鋼板剪斷，11#墩支座橡膠體彈出破壞梁體混凝土。

3 梁體橫向滑移原因分析

按照影響梁體橫向滑移的因素的不同，分兩種工況分別對(duì)第3聯(lián)橋梁支座橫向受力進(jìn)行計(jì)算分析。

主要計(jì)算參數(shù)：

設(shè)計(jì)速度：60km/h

設(shè)計(jì)荷載：城-A級(jí)，（并用公——Ⅰ進(jìn)行驗(yàn)算）

整體溫度：整體升溫30度，整體降溫25度

豎向梯度溫度：頂板梯度溫度按10度考慮

橋梁最大縱坡：2.8％

（1）支座橫向受力檢算（按規(guī)范不考慮箱梁橫向梯度溫度力及汽車離心力）

驗(yàn)算采用MIDAS CIVIL計(jì)算軟件，根據(jù)橋梁平面線形建立模型進(jìn)行上、下部結(jié)構(gòu)的整體模擬與受力分析，支座橫向受力驗(yàn)算考慮了上部箱梁的整體升降溫和豎向梯度溫度、縱向預(yù)應(yīng)力及橫向風(fēng)力產(chǎn)生的水平力。

按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D62-2004）第4.3.3條規(guī)定和《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D62-2004）第4.3.10條文解釋中規(guī)定，先按不考慮汽車離心力和橫向梯度溫度作用進(jìn)行驗(yàn)算（見表1）。

表1 第3聯(lián)各橋墩支座水平力計(jì)算一覽表

經(jīng)計(jì)算分析證明：按原設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)匝道橋第3聯(lián)各橋墩支座設(shè)計(jì)橫向承載能力滿足要求，且有較大富余度。

（2）支座橫向受力檢算（考慮箱梁橫向梯度溫度力、汽車離心力的影響）

支座橫向力驗(yàn)算除考慮了箱梁整體升、降溫和豎向梯度溫度、縱向預(yù)應(yīng)力、橫向風(fēng)力產(chǎn)生的水平力外，還考慮了對(duì)本橋影響較大的橫向梯度溫度力作用產(chǎn)生的水平力。（橫向梯度溫度：箱梁內(nèi)側(cè)腹板與外側(cè)腹板溫差按10度考慮；離心力計(jì)算公式：F=車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值*C，其中C=V2/127R）（見表2）。

表2 第3聯(lián)各橋墩支座橫向力計(jì)算一覽表（計(jì)入橫向梯度溫度及離心力）

從表2結(jié)果中可以看出：在計(jì)入箱梁橫向溫度梯度的影響及汽車離心力的影響后，第3聯(lián)10#墩及11#墩處的支座水平力已超出其對(duì)應(yīng)型號(hào)的承載力最大值，而實(shí)測(cè)的橋梁支座水平向位移較嚴(yán)重的位置為：11#墩處水平位移（40cm），10#墩處水平位移（22cm）。

（3）橫向滑移原因分析

通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，結(jié)合橋梁所處的交通環(huán)境，總結(jié)出梁體產(chǎn)生橫向滑移病害的原因如下。

1）現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)溫度力的解釋：依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D62-2004）第4.3.10條文中的解釋，規(guī)范中在計(jì)算橋梁溫度力影響時(shí)只考慮了箱梁豎向的梯度溫度作用而沒(méi)有考慮箱梁橫向梯度溫度的作用。但是根據(jù)其他工程病害實(shí)例的分析論證，橫向梯度溫度對(duì)曲線橋橫向滑移效應(yīng)的影響較大，并且本橋的位置大致為西北至東南走向，在夏季高溫天氣時(shí)，橋梁東側(cè)完全處于太陽(yáng)西曬的位置，與西側(cè)橋梁相比該側(cè)的溫度影響更顯著，從而造成兩側(cè)腹板間的溫差較大，使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可忽略的溫度作用力。在考慮了該效應(yīng)后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，橫向梯度溫差產(chǎn)生的水平力占支座總水平力的比例較大，也是支座限位擋塊產(chǎn)生破壞的主要原因之一。

2）該橋目前車流量極為繁忙，超載、重載車輛較多，橋梁的實(shí)際通行荷載可能大于設(shè)計(jì)荷載，導(dǎo)致車輛離心力造成梁體所受的離心力過(guò)大。

3）部分支座實(shí)際安裝為限制縱向活動(dòng)與設(shè)計(jì)不符，支座的橫向限位不足。

4）橋梁縱坡大，支座約束破壞后車輛制動(dòng)力加速梁體移動(dòng)。

5）橋梁各橋墩處缺少限位裝置，加劇梁體的橫向爬移。

6）對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生的扭矩認(rèn)識(shí)還不太全面，計(jì)算分析中可能未計(jì)入預(yù)應(yīng)力對(duì)扭矩的影響以及梁體混凝土自身的收縮、徐變等因素。

4 處治措施

根據(jù)以上成因分析，要有效的消除橫向滑移現(xiàn)象并保證不會(huì)反復(fù)，首先需要將滑移的梁體進(jìn)行復(fù)位，墩頂加寬加厚后增設(shè)抗震擋塊，然后對(duì)破壞的支座予以更換，采用水平位移大、適應(yīng)大轉(zhuǎn)角的球形減震支座，同時(shí)考慮到施工的可操作性和安全性。

（1）完善橋梁抗震設(shè)施

對(duì)橋墩進(jìn)行改造施工，在墩頂處加寬加厚；在橋墩和分聯(lián)的牛腿處增設(shè)混凝土抗震擋塊，并在每個(gè)擋塊處均設(shè)減震橡膠墊塊。

（2）對(duì)梁體進(jìn)行頂升與復(fù)位

通過(guò)在蓋梁端部增設(shè)千斤頂臺(tái)座和沿蓋梁長(zhǎng)度方向的橫向預(yù)應(yīng)力束，對(duì)箱梁梁體先頂升再橫向復(fù)位。梁體頂升前必須清除梁端及底板雜物，解除支座約束，使得梁體能夠自由伸展。對(duì)梁體橫向位移大于10cm處橋墩進(jìn)行復(fù)位處理，橫向復(fù)位的數(shù)值為梁體橫向移位量的一半（部分復(fù)位）。

為保證頂升過(guò)程中梁體位移及梁體應(yīng)力控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，并確保頂升過(guò)程中的安全控制，在施工中應(yīng)全過(guò)程設(shè)立第三方施工監(jiān)控。施工前主要是對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)取得各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)的初值，如觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)情況、標(biāo)高等。整體頂升復(fù)位時(shí)包括頂升、復(fù)位、支座更換等過(guò)程的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括位移監(jiān)測(cè)、橋梁的整體姿態(tài)監(jiān)測(cè)、控制斷面監(jiān)測(cè)等。

（3）支座更換

匝道橋原來(lái)使用的支座為GPZ（II）型盆式橡膠支座，支座更換擬采用原支座上鋼板螺栓孔，對(duì)限位支座通過(guò)補(bǔ)加孔位加強(qiáng)支座抗剪能力；新支座采用減震型球形支座，球型橡膠支座具有傳力可靠，各向轉(zhuǎn)動(dòng)性能一致，不僅具備盆式橡膠支座承載能力大、水平位移大的特點(diǎn)，而且能適應(yīng)大轉(zhuǎn)角的需要特別適用于曲線橋。支座的水平承載力不小于豎向承載力的15％，支座各項(xiàng)性能不低于《球型支座技術(shù)條件》（GB/T17955-2000）標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過(guò)以上治理措施的實(shí)施，目前橋梁各觀測(cè)指標(biāo)均處于正常范圍，運(yùn)營(yíng)使用狀況良好。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于建設(shè)時(shí)間較早的、已經(jīng)出現(xiàn)橫向滑移病害的類似橋梁，通過(guò)加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施、頂升復(fù)位、調(diào)整支座預(yù)偏心、更換支座形式的方式能有效解決曲線匝道橋的滑移病害。對(duì)于新建橋梁，建議在考慮常規(guī)的恒載、活載、混凝土收縮徐變、整體升降溫、豎向梯度溫度、預(yù)應(yīng)力等荷載作用外，還應(yīng)考慮橫向梯度溫度、離心力的影響，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的梁體構(gòu)造形式、調(diào)整支座預(yù)偏心、優(yōu)化支座形式等方式來(lái)預(yù)防和阻止曲線橋梁橫向滑移現(xiàn)象的發(fā)生。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.056