曹曉遠

（中交遠洲交通科技集團有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

在高速公路立交區(qū)和城市高架橋設計中，橋梁總體布置易受河流、被交道路和管線等各種障礙物的影響。此時，橋墩可利用空間狹小，往往只能在指定位置或呈某一固定角度設置。加之線形曲折變換，橋梁的斜彎組合幾乎不可避免[1]。在斜彎組合橋梁設計中，上部結構一般采用預制或現(xiàn)澆結構。預制結構適用于半徑較大，斜交角較小等情況，并且受橋面寬度及斜交角度的影響，構件種類繁多，模板復雜，施工較為困難。現(xiàn)澆結構因其具有適用范圍廣，整體性好，結構抗扭剛度大，形狀符合實際需要，外觀簡潔且方便施工等優(yōu)點在互通立交區(qū)被廣泛應用。同時，斜彎組合現(xiàn)澆梁也存在受力復雜，計算困難等缺點，并且建成后較易出現(xiàn)梁體爬移、支座錯位等問題。嚴重時，橋梁甚至會出現(xiàn)支座破壞、梁體開裂等一系列病害，危及結構安全。因此，工程師在橋梁設計和運營維護期間，不僅要對該種橋梁做好充分的比選和計算，還要建立后期位移監(jiān)測機制，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時解決，保證行車安全。

1 工程概況

本座特大橋位于某高速公路互通區(qū)范圍內(nèi)，為跨越泄洪渠而設。小樁號側與繞城高架橋連接，大樁號側與路基相連。上部結構采用預應力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁和預應力混凝土先簡支后連續(xù)小箱梁；橋墩為柱式墩，基礎為鉆孔灌注樁基礎。

因泄洪渠排水需要，本橋2號～13號墩采用順水流方向斜交布置，此時橋墩軸線與路線右偏角為135°；又因15號墩前方緊鄰一地方道路（縣界路），遷改難度大，故此墩軸線與路線呈90°設置；為實現(xiàn)橋墩斜交角的平穩(wěn)過渡，14號墩軸線與路線呈120°設置。10～18號墩橋型布置圖詳見圖1。

圖1 某特大橋10～18號墩橋型布置圖（單位：cm）

為滿足結構要求，設計時將13號墩～15號墩設定為本橋第六聯(lián)，采用預應力混凝土斜彎組合連續(xù)箱梁。該梁跨度為19+16m，橋面寬13.75m，梁高1.6m，翼緣寬2.0m，箱室寬9.75m。箱梁采用單箱雙室結構，每道腹板均配置6根（豎向3排，橫向2排）鋼束。該梁平面位于半徑R=800.015m的圓曲線及緩和曲線上，如圖2和圖3所示。

圖2 某特大橋第六聯(lián)立面布置圖（單位：cm）

第六聯(lián)斜彎組合連續(xù)箱梁采用盆式橡膠支座。13號墩位置為三支座布置，支座型號為JPZ（Ⅱ）-4.0型，除鈍角處采用單向支座（順橋向活動）外，其余兩個均為雙向支座；14號墩位置為三支座布置，支座型號為JPZ（Ⅱ）-4.0型，除鈍角處采用固定支座外，其余兩個均為單向支座（沿橋墩軸線方向活動）；15號墩位置為雙支座布置，支座型號為JPZ（Ⅱ）-5.0型，靠近路線中心線處為單向支座（順橋向活動），遠離路線中心線處為雙向支座，詳見圖3。

圖3 某特大橋第六聯(lián)平面布置圖（單位：cm）

橋位處受歷史河流沖積影響，地形平坦，土層以粉質(zhì)黏土、細砂、細中砂和粗砂為主。結合鉆孔資料和各種橋型特點，通過多方案比選，最終確定本橋下部結構采用鉆孔灌注樁基礎、工或王字形承臺、柱式橋墩、矩形或平行四邊形蓋梁；上部結構采用現(xiàn)澆箱梁，利用滿堂支架法施工。施工單位依據(jù)施工圖紙，制定詳細進度計劃，按時完成所有項目，并同時做好了施工記錄工作。

查閱施工記錄可知，2018年3月施工單位對第六聯(lián)下部樁基進行鉆孔，6月施工墩柱，7月澆筑蓋梁，2019年3月初澆筑墊石，3月底澆筑梁體，6月施工橋面鋪裝和混凝土護欄等附屬設施，12月通車運營。

2 主要問題

本橋建成通車18個月后，即2021年5月，管養(yǎng)單位在巡查中發(fā)現(xiàn)第六聯(lián)斜彎組合箱梁存在梁體爬移、支座錯位、墊石破損以及梁端塞滿雜物等問題，具體問題如下。

2.1 梁體爬移

第六聯(lián)斜彎組合箱梁與前一聯(lián)梁體之間縫隙不均，翼緣外邊線出現(xiàn)明顯錯位。經(jīng)測量，第六聯(lián)梁體相對于第五聯(lián)梁體向主梁的銳角方向爬移了4.3cm；但相對于第七聯(lián)梁體，第六聯(lián)幾乎沒有相對位移。

2.2 支座錯位、墊石破損

梁體小里程側相對于橋墩，明顯向主梁銳角方向爬移，導致設置在13號橋墩上的盆式橡膠支座出現(xiàn)上下鋼板錯位的情況。鈍角處單向支座因活動方向與梁體位移方向不一致，且梁體爬移位移較大，支座限位裝置與下鋼板碰觸，因此將梁體所受外力向下傳遞至墊石。在外力作用下，支座墊石沿錨栓連線方向縱向開裂，造成墊石破損。13號墩另外兩個支座僅出現(xiàn)上下鋼板錯位的情況，其下墊石完好。14號墩和15號墩支座上下鋼板錯位很小，可以忽略不計；其下墊石完好。

2.3 梁端塞滿雜物，伸縮縫工作異常

第六聯(lián)斜彎組合箱梁與前后聯(lián)梁體及下部蓋梁高頂帽間均塞滿混凝土、碎石、破布袋等雜物。伸縮縫被雜物堵死，工作狀況異常，已經(jīng)失去伸縮功能。

除上述問題外，第六聯(lián)主梁梁體頂、底板和腹板，墩柱及蓋梁均未發(fā)現(xiàn)裂縫，整體狀態(tài)良好。

3 理論模型計算

根據(jù)施工圖紙，在Midas有限元分析軟件中，對第六聯(lián)斜彎組合箱梁采用建模助手工具建立梁格模型，對整體式箱型截面進行分割，按多主梁計算。同時，根據(jù)剛度等效原則，自動生成虛擬梁，計算橫向分布效應。需要特別注意的是，虛擬橫梁及截面位置要和圖紙一致。

依據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）要求，對梁格模型施加了多種作用，模擬其從施工到運營各階段狀態(tài)，計算分析梁體內(nèi)力及支座受力情況。梁體計算作用效應組合詳見表1。

表1 梁體計算作用效應組合表

其中，永久作用包括結構自重、收縮徐變、預應力和支座沉降等；同種組合取包絡，本表未計列。

運行計算模型，得出以下結論：

（1）施工階段混凝土應力滿足要求。

（2）正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)下應力及撓度驗算滿足要求。

（3）在溫度力包絡組合下，13號墩三個支座中，鈍角處支座支反力為16kN，水平力為24kN；中支座支反力為47kN；銳角處支座支反力為181kN。

（4）在標準組合下，13號墩三個支座中，鈍角處支座支反力為2 993kN，水平力為497kN；中支座支反力為2 691kN；銳角處支座支反力為3 192kN。

4 修正模型計算

由于第六聯(lián)斜彎組合箱梁與前后聯(lián)梁體及下部蓋梁高頂帽間均塞滿了雜物，梁體不能自由伸縮，與設計初衷不符。故根據(jù)現(xiàn)場實際情況，將模型做部分修正，在梁端順橋向設置較大剛度值（1×105kN/m）的彈性連接，不讓其自由活動，其余參數(shù)不變。

運行計算模型，得出以下結論：

（1）在溫度力包絡組合下，13號墩三個支座中，鈍角處支座豎向反力為-28kN，縱向水平力為837kN，橫向水平力為837kN；中支座支反力為134kN，縱向水平力為485kN；銳角處支座支反力為194kN，縱向水平力為458kN。

（2）在標準組合下，13號墩三個支座中，鈍角處支座豎向反力為3 048kN，縱向水平力為1 644kN，橫向水平力為936kN；中支座支反力為2 623kN，縱向水平力為1 051kN；銳角處支座支反力為3 174kN，縱向水平力為961kN。

5 爬移成因分析

通過理論模型和修正模型分析，得出以下結論：

（1）梁體設計滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62—2004）要求，支座型號選取和支座布置合理。

（2）當梁端可自由伸縮時，溫度力包絡組合及標準組合下，支座受到的支反力和水平力均較小，且在支座可承受范圍內(nèi)。

（3）當梁端不可自由伸縮時，溫度力包絡組合及標準組合下，支座受到的支反力和水平力均較大，且超過了支座可承受范圍。

綜上所述，限制梁端位移和溫度力的綜合作用是引起本聯(lián)梁體爬移、支座錯位等問題的主要原因。

隨著溫度的變化，梁體順橋向會發(fā)生熱脹冷縮。此時，如果梁端可以自由伸縮，則這種溫度效應不會引起箱梁橫向移動。但如果梁端被雜物塞滿不能自由活動，溫度效應的累積會使梁體端頭受到較大的擠壓作用，這一作用力的水平分力將使梁端產(chǎn)生橫移。橫移達到一定階段就會引起支座錯位，甚至墊石破損等問題[2]。

6 防治措施

為更好地滿足梁體安全需要，減少梁體橫移對運營的影響，決定采取以下措施進行防治：

（1）維持現(xiàn)有支座系統(tǒng)不變，清理伸縮端處及支座周圍雜物，對墊石破損部位進行局部修復。

（2）加強限位措施，在蓋梁上增設限位裝置，同時用橡膠墊將擋塊與主梁間空隙填實，經(jīng)過限位加強之后，可以正常使用。

（3）加強變位處位移觀測。

7 日常觀測方案

7.1 測點布設

為方便觀測梁體位移，在第六聯(lián)箱梁和下方橋墩蓋梁上布設觀測點，測點上粘貼反光膜片。箱梁上觀測點可將支架外伸。具體布設位置如下：

（1）在箱梁端頭和中橫梁內(nèi)外側翼緣板下方設置觀測點，觀測點要盡量靠近翼緣板外邊緣。

（2）沿路線前進方向，在箱梁13號、14號墩支座前底板下方，距離蓋梁15cm處，設置觀測點。

（4）在13號、14號墩蓋梁大里程側豎直面上粘貼反光膜片。每個蓋梁共設置反光膜片3片，均位于蓋梁頂以下1m。其中1片貼于蓋梁橫向中點，另外2片貼于蓋梁邊緣內(nèi)1m處。

7.2 觀測方法

基于現(xiàn)場基準點，采用全站儀對觀測點進行觀測。

7.3 觀測頻率

日常觀測方案應按照表2執(zhí)行。

如發(fā)現(xiàn)以下情況應及時上報：①累計觀測位移大于2cm；②觀測位移出現(xiàn)明顯波動；③其他影響結構安全情況。

位移達到穩(wěn)定不再繼續(xù)增加后，按照《公路養(yǎng)護技術規(guī)范》（JTG H10—2009）進行日常養(yǎng)護。

8 結語

本文通過對預應力混凝土斜彎組合箱梁橋進行建模分析，確定了其在運營階段出現(xiàn)的梁體爬移、支座錯位等問題的主要成因，提出了可行且有效的防治加固措施和位移監(jiān)測機制，為同類橋梁的設計和維護提供了參考和依據(jù)。