張重陽(yáng)

(黃淮學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000)

1 工程概況

某主線橋是廣東省高速公路“九縱五橫兩環(huán)”中的重要交通樞紐。橋梁全長(zhǎng)304.14 m，于2016年底全線通車。該橋上部結(jié)構(gòu)采用跨徑組合為10×30 m的預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)T梁，每跨7片T梁，全橋共分為四聯(lián)，其中第一聯(lián)和第四聯(lián)各1跨，如圖1所示。該橋梁位于直線段上，橋面全寬16.5 m，兩側(cè)防撞欄寬0.5 m，橋面采用11 cm瀝青混凝土橋面鋪裝。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋臺(tái)和直徑為1.6 m和2 m的雙柱式墩。橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)。

在專項(xiàng)檢查的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該橋梁梁體存在往下坡方向滑移的現(xiàn)象，導(dǎo)致全橋范圍內(nèi)的支座、墊石和楔形塊均較原來(lái)的位置出現(xiàn)了不同程度的滑動(dòng)，部分伸縮縫型鋼出現(xiàn)超寬或頂死的狀況，墩柱的豎直度也出現(xiàn)了不同程度的傾斜。本文根據(jù)該橋梁檢測(cè)情況進(jìn)行病害原因分析[1]，并對(duì)第二聯(lián)和第三聯(lián)建立有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算[2]，最后給出適用于該橋的加固處治措施。

圖1 橋梁立面布置圖(單位：cm)

2 橋梁主要病害及原因分析

在定期檢查的基礎(chǔ)上，對(duì)該橋梁進(jìn)行全面細(xì)致的專項(xiàng)檢查，主要包括：①梁底楔形塊相對(duì)支座滑移量的量測(cè)；②支座及支座墊石與蓋梁的相對(duì)平面位置的量測(cè)；③梁體間距和伸縮縫型鋼間距的量測(cè)；④測(cè)量各墩柱豎直度。

2.1 主要病害

(1)支座系統(tǒng)。橋梁的第二聯(lián)(第2跨～第5跨)和第三聯(lián)(第6跨～第9跨)梁底楔形塊較支座均有往縱坡下坡方向及橫坡下坡方向的滑痕，支座相對(duì)下墊石基本無(wú)明顯滑移痕跡，支座往下坡方向剪切10°～ 20°，如圖2所示；根據(jù)實(shí)際測(cè)量橋梁各支座和楔形塊平面相對(duì)位置，5#墩頂梁底楔形塊滑痕量值最大，縱向有88 ～148 mm，橫向有18 ～ 71 mm。第1跨和第10跨兩邊跨梁底楔形塊及支座未見(jiàn)明顯異常。

圖2 支座脫空及相對(duì)滑移

(2)伸縮縫。9#墩頂伸縮縫型鋼頂死，1#與5#墩頂伸縮縫型鋼間距分別為97 mm、78 mm，均接近或超過(guò)限值，且對(duì)應(yīng)路面標(biāo)線及外側(cè)防撞墻存在大里程較小里程向右側(cè)橫向錯(cuò)位5～18 mm、6～32 mm的情況(檢查時(shí)氣溫28℃)。

(3)梁端間距測(cè)量情況。1#墩和5#墩頂處外邊梁端間距分別為13.5 cm和8.4 cm，9#墩頂外邊梁梁端間距最窄，但仍有5 cm的寬度，雖然墩頂伸縮縫型鋼頂死，但是通過(guò)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的檢查及相關(guān)數(shù)據(jù)的量測(cè)，判斷梁端并未頂死。

(4)外邊梁梁端與墩頂支座墊石中對(duì)中情況。墩頂2排支座墊石的中心線與蓋梁中心線偏差較大，故采用支座墊石中心線與梁端中心線縱向位置進(jìn)行比較。通過(guò)測(cè)量對(duì)比發(fā)現(xiàn)，梁端中線相對(duì)支座墊石中線均存在往大里程方向偏位的現(xiàn)象，其中5#墩頂邊梁梁端中線相對(duì)支座墊石中線往大里程方向偏位105 mm。

2.2 病害原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)支座與楔形塊相對(duì)位置、伸縮縫以及梁端間距等情況，梁體滑移原因主要有以下幾點(diǎn)[3]：

(1)受橋梁結(jié)構(gòu)的縱坡影響，梁體會(huì)產(chǎn)生往低處的力。在汽車荷載作用下，包括上坡方向的車輛對(duì)橋面的摩擦力，或車輛前進(jìn)方向的制動(dòng)力等，也會(huì)對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平力，通常這個(gè)力由支座摩擦力(支座剪切變形)提供。隨著使用年限的增加，綜合多種因素，支座摩擦力或支座剪切變形不足以抵抗陡坡上梁體自重下滑力、汽車制動(dòng)力或爬坡力沿著主梁下坡方向產(chǎn)生的水平分力，導(dǎo)致梁體滑移。

(2)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，橋梁支座局部脫空較為普遍，分析是梁底調(diào)平施工精度不足，導(dǎo)致各支座處受力不均，變形不協(xié)調(diào)，支座可提供的摩擦力較小，主梁受過(guò)往車輛，特別是重車的沖擊和振動(dòng)影響，疊加行駛車輛的制動(dòng)力或加速力等，導(dǎo)致梁體不斷往下坡方向產(chǎn)生滑移，且滑移后不能恢復(fù)，位移在累加。

(3)支座受力不均局部受壓，因支座安裝不水平，T梁將上部荷載傳遞給支座時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的水平分力，該水平分力會(huì)使得T梁有向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，梁體反過(guò)來(lái)擠壓局部脫空支座或未放置水平的支座，導(dǎo)致支座產(chǎn)生反向移位。

(4)梁體在溫度、收縮徐變作用下的梁體變形導(dǎo)致與支座間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，部分滑動(dòng)變形不能完全恢復(fù)，且長(zhǎng)年累積導(dǎo)致位移越來(lái)越大。

(5)其他原因的影響。比如施工時(shí)的誤差影響，受陡坡地形、推土等影響，橋梁樁柱受不平衡土壓力導(dǎo)致樁柱產(chǎn)生推移。并且在橋梁運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中，可能存在意外安全事故，如多輛車一起制動(dòng)產(chǎn)生的水平力較大，受慣性力影響引起上部結(jié)構(gòu)水平變位。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，橋梁梁體變位情況、縱坡、行車方向等，與縱坡大小、行車方向不存在必然的規(guī)律性，經(jīng)分析應(yīng)是多種因素疊加引起的結(jié)果。

3 樁柱受力驗(yàn)算

3.1 建立模型

樁柱受梁體移位后，支承位置發(fā)生變化，樁柱會(huì)產(chǎn)生偏心彎矩，垂直度也有一定變化。根據(jù)梁體滑移檢測(cè)情況，對(duì)于該橋1-9#墩上下部結(jié)構(gòu)建立模型，每跨主梁的滑移量和橋墩垂度按照檢測(cè)報(bào)告實(shí)測(cè)值在模型中模擬。模型中主要考慮了恒載、活載汽車制動(dòng)力、風(fēng)荷載和溫度荷載的作用，其中汽車荷載按照公路-Ⅰ級(jí)，橫向布置4個(gè)車道[4]。主梁與蓋梁采用彈性連接模擬支座剛度，樁土作用按照m法計(jì)算樁基與地基的彈簧約束剛度模擬，如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型

3.2 靜力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)驗(yàn)算，橫橋向不控制設(shè)計(jì)，故主要以順橋向驗(yàn)算為主。將梁體自重、汽車制動(dòng)力、溫度荷載、收縮徐變以及風(fēng)荷載等進(jìn)行組合，分別取基本組合和頻遇組合最不利情況進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)樁柱驗(yàn)算。驗(yàn)算根據(jù)規(guī)范JTG 3362—2018[5]進(jìn)行，驗(yàn)算結(jié)果如表1和表2所示。由驗(yàn)算結(jié)果可知，墩底處縱橋向截面和樁基最不利處縱橋向截面驗(yàn)算抗壓、抗彎承載力均滿足規(guī)范要求。

表1 墩底截面靜力驗(yàn)算結(jié)果

續(xù)表

表2 樁基截面靜力驗(yàn)算結(jié)果

4 處治方案

4.1 總體加固思路

結(jié)合橋梁現(xiàn)狀及典型構(gòu)件驗(yàn)算，支座變形和伸縮縫等尚能基本滿足使用要求?？紤]梁體復(fù)位的復(fù)雜性和難度、處治期間對(duì)主線通行影響，目前暫推薦較為簡(jiǎn)單的處理方案，即采用支座調(diào)平和加限位裝置等措施控制梁體和支座進(jìn)一步滑移。后續(xù)加強(qiáng)觀測(cè)，確認(rèn)梁體、支座是否會(huì)繼續(xù)移位。如后續(xù)繼續(xù)變位，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況適時(shí)確定梁體復(fù)位，恢復(fù)梁體及支座的正常功能。

4.2 處治措施

(1)支座脫空處治?？紤]支座脫空和局部偏位，對(duì)上構(gòu)T梁受力不利，且結(jié)合上述分析，支座脫空是引起梁體滑移的主要原因之一，擬對(duì)支座與梁底調(diào)平局部脫空區(qū)域進(jìn)行處理。對(duì)于局部脫空面積小于10%的，可暫不處理；對(duì)于局部脫空超過(guò)10%的，采用壓注環(huán)氧樹(shù)脂膠(脫空最大高度2 mm以內(nèi))或在鋼板與支座接觸面涂抹環(huán)氧樹(shù)脂膠后打入楔形調(diào)平鋼板的方式(脫空高度2 mm以上)，如圖4所示；對(duì)于支座偏位較大(支座部分超出墊石或梁底調(diào)平)的，在梁底調(diào)平處理之前，先局部整體頂升梁體后將支座位置調(diào)整復(fù)位，保證支座全面積在墊石、梁底調(diào)平范圍；對(duì)于支座剪切變形較大或損壞的，需要進(jìn)行更換支座。

圖4 支座系統(tǒng)改造示意圖

(2)伸縮縫。清理梁端間距之間的雜物、建筑垃圾等，必要時(shí)采用繩鋸切割處理，以盡量充分利用既有梁端縫隙。對(duì)伸縮縫縫寬變化不大的橋梁，若根據(jù)計(jì)算滿足規(guī)范要求，可不予處治；對(duì)于縫寬變化較大的橋梁，建議拆除更換伸縮縫，減小縫寬；對(duì)于伸縮縫已頂死，但梁端仍有一定間隙的，拆除更換伸縮縫，滿足變形要求。

(3)限位措施。①對(duì)梁體與擋塊之間，在橫橋向設(shè)置橡膠墊塊，橡膠墊塊厚度以與梁體腹板、擋塊內(nèi)側(cè)緊密貼合為原則進(jìn)行布設(shè)。橡膠墊塊在橋臺(tái)處單側(cè)擋塊處設(shè)置1塊、在橋墩單側(cè)擋塊處設(shè)置2塊(前后跨梁體分別設(shè)置1塊)，橡膠墊塊采用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘貼在擋塊內(nèi)側(cè)，頂面與擋塊頂平齊。根據(jù)梁體腹板與擋塊之間的寬度，可適當(dāng)調(diào)整橡膠墊塊的厚度，必要時(shí)可以單側(cè)設(shè)置2塊橡膠墊塊，保證橡膠塊與梁側(cè)面貼合，如圖5所示。②通過(guò)檢查各橋主梁向下坡方向滑移情況，可在橋墩蓋梁上植筋設(shè)置限位混凝土擋塊，并在擋塊內(nèi)側(cè)粘貼橡膠墊塊來(lái)進(jìn)一步限制主梁的滑移，其中橡膠墊塊的厚度視具體情況而定。新增限位擋塊兼有橫向和縱向限位功能，擋塊與橫隔板之間的間隙設(shè)置橡膠墊塊，與T梁腹板之間也設(shè)置橡膠墊塊。橡膠墊塊采用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘貼在擋塊上。并對(duì)橋下陡坡適當(dāng)整平，減小不平衡土壓力造成的橋墩偏位，如圖6所示。

圖5 橫橋向限位示意圖

圖6 順橋向限位示意圖

4.3 增設(shè)縱向限位擋塊后的受力驗(yàn)算

增設(shè)縱向限位擋塊后，如梁體繼續(xù)滑移，則新增擋塊通過(guò)橫隔板限制梁體的繼續(xù)變位，在此需對(duì)橫隔板進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。同時(shí)，在設(shè)置限位擋塊后，雖然擋塊與橫隔板之間預(yù)留5 cm間隙，但要求安裝5 cm厚橡膠墊塊，受整體升降溫及混凝土收縮徐變影響，梁體變位將通過(guò)橫隔板、限位擋塊傳遞水平力至下部結(jié)構(gòu)。

(1)橫隔板承載力驗(yàn)算。為使驗(yàn)算結(jié)果更加安全，考慮最不利工況下橫隔板受力狀況，基于前面兩聯(lián)T梁模型，因?yàn)?#墩和9#墩前后仍有主梁作用，前面兩聯(lián)模型無(wú)法準(zhǔn)確得到其墩頂水平力值，故取其余2～8#墩墩頂水平力最大值進(jìn)行橫隔板抗剪承載力驗(yàn)算。通過(guò)Midas Civil 2020建立橫隔板局部梁?jiǎn)卧Ｐ瓦M(jìn)行受力分析，因?yàn)樾略黾酉尬粨鯄K與橫隔板接觸面積較小，故選取0.5 m寬橫隔板進(jìn)行建模計(jì)算，橫隔板兩端邊界條件采用全固結(jié)的方式。

根據(jù)規(guī)范GB 50010—2010[6]中6.3.3項(xiàng)，對(duì)于不配置箍筋和彎起鋼筋的一般板類受彎構(gòu)件，其斜截面受剪承載力應(yīng)符合滿足下列公式：

V≤0.7βhftbh0

(1)

(2)

根據(jù)公式計(jì)算可得，橫隔板的斜截面抗剪承載力值V=119.1 kN。因在每個(gè)橋墩蓋梁梁端增設(shè)限位擋塊，根據(jù)實(shí)際情況等效為支座彈性連接垂直于橫隔板方向的彈性支撐剛度，并考慮了制動(dòng)力，風(fēng)荷載和溫度等荷載最不利狀況下的組合作用，由模型計(jì)算各橋墩處垂直于橫隔板方向水平荷載，取最大值進(jìn)行橫隔板承載力驗(yàn)算，得橫隔板剪力效應(yīng)值V=97.9 kN<119.1 kN，滿足規(guī)范要求。部分計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示。

表3 部分墩底截面靜力計(jì)算結(jié)果

表4 部分樁基最不利截面靜力計(jì)算結(jié)果

(2)樁柱驗(yàn)算。橋梁樁柱在溫度和收縮徐變作用下會(huì)發(fā)生一定的偏位，設(shè)置縱向限位擋塊后梁體變形會(huì)對(duì)下部結(jié)構(gòu)樁柱產(chǎn)生水平力。本橋一聯(lián)為120 m，以一聯(lián)中間位置作為溫度零點(diǎn)，綜合考慮整體升降溫和收縮徐變的作用，取不利組合進(jìn)行包絡(luò)驗(yàn)算。伸縮縫處梁體變形引起的橋墩墩頂偏位按2 cm計(jì)，根據(jù)前述樁柱驗(yàn)算結(jié)果，選取該橋右幅4#、5#、6#和8#較為不利的樁柱分別建立樁柱模型來(lái)計(jì)算相應(yīng)的水平力值。

由以上驗(yàn)算可知，在溫度荷載和收縮徐變作用下，墩底處縱橋向截面和樁基最不利處縱橋向截面驗(yàn)算抗壓、抗彎承載力和裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合上述分析，本文得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)橋梁的變位情況、縱坡、行車方向等分析，橋梁梁體滑移與縱坡大小、行車方向不存在必然的規(guī)律性，該橋梁體滑移應(yīng)是多種因素疊加引起的結(jié)果。

(2)通過(guò)建立有限元模型，進(jìn)行梁體滑移后橋梁上下部結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算，根據(jù)靜力計(jì)算結(jié)果，梁體滑移后產(chǎn)生的附加彎矩對(duì)于下部結(jié)構(gòu)的作用仍能滿足規(guī)范抗彎和抗壓承載力的要求。

(3)本文對(duì)于橋梁出現(xiàn)病害的位置，分析病害產(chǎn)生的原因，提出增設(shè)調(diào)平鋼板和限位擋塊等切實(shí)可行的處治措施，并通過(guò)Midas建立有限元模型對(duì)加固后的梁體橫隔板和橋墩樁柱的承載力和裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，從而保證橋梁安全運(yùn)營(yíng)，為今后橋梁出現(xiàn)類似病害提供參考依據(jù)。