李永波

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，沈陽 110001）

0 引言

近年來，隨著我國橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展，曲線橋在城市立交和高速匝道上得到了廣泛的應(yīng)用。但曲線梁橋因彎扭耦合、支反力不均勻等復(fù)雜受力特征，使其受力機(jī)制與直線梁橋差異較大[1]，若設(shè)計時對影響結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵因素考慮不全面，則會使橋梁出現(xiàn)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(nèi)因有：幾何偏心效應(yīng)、主梁曲率半徑、主梁截面形式、支承方式與支座形式、下部結(jié)構(gòu)剛度以及預(yù)應(yīng)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(shè)計、施工建議。為了明確導(dǎo)致曲線橋主梁產(chǎn)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?yàn)楸尘埃ㄟ^計算，對該橋產(chǎn)生的橫向爬移病害進(jìn)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(nèi)部因素

幾何偏心效應(yīng)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(cè)，并偏離主梁剪力中心的。并且曲線橋梁都會設(shè)置橫坡，使外側(cè)梁自重大于內(nèi)側(cè)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(yīng)越明顯，梁端的側(cè)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(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)變形愈小，在外界荷載作用下側(cè)向位移就越小；反之則越大。

支座預(yù)偏心、支承形式優(yōu)化能有效限制曲線橋恒載+預(yù)應(yīng)力作用下的爬移，并能有效降低全橋扭矩及扭轉(zhuǎn)變形，但不能限制離心力作用下曲線橋的爬移。支座形式優(yōu)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(zhuǎn)變形。

下部構(gòu)造特征直接影響到上部結(jié)構(gòu)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(dǎo)致箱體橫向爬移的主要因素。其中，豎向力的荷載效應(yīng)是使梁體發(fā)生扭轉(zhuǎn)。對于徑向力，則是直徑使梁體橫向滑移，而且梁體發(fā)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(cè)向位移并不能全部恢復(fù)，故會產(chǎn)生橫橋向殘余位移的不斷累積，即曲線梁橋的爬移現(xiàn)象。

1.2.2 溫度作用

溫度效應(yīng)，包括年平均溫差（整體升、降溫）和日照驟變溫差（內(nèi)外溫差和豎向梯度）。由于曲線橋內(nèi)外弧長不同，易造成橋梁整體升溫或降溫過程中內(nèi)外弧變形量不同，使曲線梁橋產(chǎn)生緩慢爬移現(xiàn)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(nèi)，墩臺按徑向布置。橋面凈寬為9.5m，兩側(cè)均設(shè)置寬度為0.50m 的混凝土護(hù)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(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土現(xiàn)澆連續(xù)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(jié)構(gòu)：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(dú)柱墩，墩頂設(shè)1個固定支座，1#、2#、4#、5#、6#墩均為鋼筋混凝土矩形獨(dú)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(shè)置2個支座，曲線內(nèi)側(cè)支座為單向活動支座，曲線外側(cè)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(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)。設(shè)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(jù)檢測結(jié)果及現(xiàn)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(cè)擋塊受箱梁擠壓、開裂

圖4 支座上鋼板內(nèi)側(cè)限位板擠壓破損

圖5 3#墩底曲線內(nèi)側(cè)半環(huán)向裂縫

（1）第1～7 孔箱梁整體向曲線外側(cè)發(fā)生橫向移位，最大偏移3cm，1#、2#、4#、5#墩蓋梁右側(cè)擋塊受箱梁擠壓、開裂見圖3，裂縫寬度為18～25mm；曲線外側(cè)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(nèi)側(cè)距地面0～4m 范圍內(nèi)，出現(xiàn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)計算與分析，混凝土材料均采用線彈性材料進(jìn)行模擬，計算模型如圖6 所示。

圖6 7 孔一聯(lián)連續(xù)箱梁計算模型（曲線半徑R=200m）

墩底基礎(chǔ)采用固結(jié)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(jù)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(jī)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(shè)計規(guī)范，JTG D 60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)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(jié)果分析

該橋?yàn)閺潣颍a(chǎn)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(dǎo)致該橋病害的主要原因，對上述兩種作用產(chǎn)生的荷載效應(yīng)進(jìn)行了計算，計算結(jié)果見表2。

表2 支座橫向剪力kN

計算結(jié)果表明：①離心力是導(dǎo)致曲線橋產(chǎn)生橫向爬移的最主要的因素，溫度作用產(chǎn)生的橫向剪力僅為前者的3.5%～25%；②整體升溫對中支點(diǎn)產(chǎn)生的剪力朝向曲線內(nèi)側(cè)，對邊支點(diǎn)（或次邊墩）產(chǎn)生的剪力朝向曲線外側(cè)；整體降溫產(chǎn)生的荷載效應(yīng)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(dān)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(fā)生破損的原因。

3.3 病害分析

根據(jù)上述文中計算結(jié)果可知，該橋主要病害成因分析如下：

（1）導(dǎo)致該橋主梁產(chǎn)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(xiàn)橫向受彎裂縫，主要是因?yàn)槠渌枕斨ё鶛M向限位鋼板已失效，導(dǎo)致3#墩承擔(dān)了較大的彎矩和剪力。

3.4 病害處治

由于該橋主梁已發(fā)生整體爬移，且支座橫向限位已失效，首先應(yīng)對梁體進(jìn)行頂升、復(fù)位，并更換破壞的支座。該橋1#、2#、4#、5#墩蓋梁曲線外側(cè)擋塊均受主梁擠壓，產(chǎn)生嚴(yán)重的開裂，需要將其鑿除并重新澆筑。3#墩墩柱底部出現(xiàn)受彎裂縫，需對其進(jìn)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(jìn)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(jìn)行加固。

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

（1）加強(qiáng)該橋的限載、限速措施，嚴(yán)禁超載或超速行駛。

（2）獨(dú)柱墩增設(shè)支座或改為多柱墩；③增設(shè)彈性側(cè)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(shè)支座）。故上述措施②不適用于該橋。措施③中，優(yōu)先考慮在梁體和新澆筑擋塊間設(shè)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(fā)生擠壓破壞。

結(jié)合上述分析和橋梁病害現(xiàn)狀，對該橋提出如下處治方案：

（1）加強(qiáng)該橋的限載、限速措施。

（2）對該橋梁體進(jìn)行頂升、復(fù)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(shè)置減隔震橡膠塊。

（4）對3#墩柱采用粘貼纖維布法進(jìn)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(jié)語

文中通過分析曲線橋產(chǎn)生橫向爬移的影響因素并結(jié)合計算分析，可以得出如下結(jié)論：

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

（2）整體升溫對中支點(diǎn)產(chǎn)生的剪力朝向曲線內(nèi)側(cè)，對邊支點(diǎn)（或次邊墩）產(chǎn)生的剪力朝向曲線外側(cè)；整體降溫產(chǎn)生的荷載效應(yīng)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(fā)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(shè)計時應(yīng)盡量避免各墩柱高度差異較大的情況。

（4）綜合考慮該橋現(xiàn)狀及病害主要成因，對該橋提出的處置措施主要有：加強(qiáng)限載、限速措施；對梁體頂升復(fù)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(shè)置減隔震橡膠塊。