平面曲線梁橋側(cè)向位移病害分析與加固維修

秦永剛　喬　捷　王澤寧　王琛妹

(1.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司　北京　100082;　2.北京市城市道路養(yǎng)護(hù)管理中心　北京　100069)

平面曲線梁橋側(cè)向位移病害分析與加固維修

秦永剛1喬捷2王澤寧1王琛妹1

(1.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司北京100082;2.北京市城市道路養(yǎng)護(hù)管理中心北京100069)

摘要平面曲線梁橋尤其是獨(dú)柱支撐的曲線梁橋,在永久作用和可變作用下會產(chǎn)生側(cè)向變位。某平面曲線連續(xù)梁橋，中支點(diǎn)雙向活動支座處主梁側(cè)向位移接近支座使用極限值，造成柱頂抗震錨栓彎曲變形，甚至屈服。文中通過建模計算橋梁在實(shí)際荷載作用下側(cè)向位移，并與實(shí)測位移進(jìn)行對比，分析該橋側(cè)向位移產(chǎn)生的主要原因。結(jié)果顯示，現(xiàn)況橋梁永久作用變形已基本趨于穩(wěn)定，實(shí)際可變作用引起的側(cè)向彈性位移較小。因此選擇適宜的環(huán)境溫度，在墩柱頂部設(shè)置防爬移限位裝置，以確保橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全。

關(guān)鍵詞平面曲線梁橋側(cè)向位移病害分析加固維修

曲線橋?qū)τ诟鞣N復(fù)雜的地形地物有著良好的適應(yīng)性，在城市橋梁中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，一些修建較早的橋梁先后出現(xiàn)各種病害，其中側(cè)向位移問題輕則導(dǎo)致梁端伸縮縫的剪切破壞，嚴(yán)重的則出現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)破壞、梁體整體滑移和翻轉(zhuǎn)等。橋梁在使用過程中若出現(xiàn)該問題，加固起來非常困難，對交通影響大，造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大[1]。

針對曲線橋梁側(cè)向位移病害情況，本文結(jié)合實(shí)例工程對側(cè)向位移問題進(jìn)行計算，并與實(shí)際檢測的位移值進(jìn)行對比分析，找出此種病害產(chǎn)生的主要原因，并介紹一種快速安裝型側(cè)向位移限位裝置的加固措施，通過墩柱限制主梁進(jìn)一步爬移。該加固措施結(jié)合橋梁墩柱抗震加固，徹底解決曲

線橋梁側(cè)向爬移問題，可為此類曲線梁橋加固設(shè)計提供參考。

1工程概況

1.1　橋梁概況

北京市二環(huán)路某立交內(nèi)環(huán)橋，為7跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力曲線梁，曲線半徑220 m，橋梁長度238 m，最大跨徑42.7 m。上部結(jié)構(gòu)采用單箱多室箱梁，下部結(jié)構(gòu)中墩為鉆孔樁承臺接雙柱墩或單柱鋼管混凝土墩，墩柱直徑1.5～2.0 m；中墩共2個軸墩柱與主梁固結(jié)，其余軸設(shè)置支座，分聯(lián)處支座為四氟滑板橡膠支座，雙柱墩頂為盆式橡膠支座，獨(dú)柱墩頂為球型支座。橋梁橫斷面布置見圖1，橋梁支座布置及編號見圖2。

圖1　橋梁橫斷面布置圖(單位：cm)

圖2　支座平面布置及其編號

1.2　橋梁位移狀況檢測

2005年結(jié)構(gòu)定期檢測中，主梁抗震錨栓有1個墩柱位置處發(fā)生了錨栓與柱頂貼死的現(xiàn)象，個別的錨栓已經(jīng)彎曲變形，蓋梁部分擋塊擠壓開裂。2011年檢測中，多個橋墩處梁體存在偏移，支座周邊抗震錨栓與橋墩緊貼、錨栓已傾斜，給橋墩帶來水平附加力，影響橋墩結(jié)構(gòu)安全；多個獨(dú)柱墩頂處球型支座側(cè)向位移量超過支座標(biāo)稱允許值，但該橋所用盆式支座、球形支座外觀未見明顯病害。

2013年支座特殊檢測結(jié)果：支座的側(cè)向偏移方向均為向圓弧線外側(cè)方向偏移；支座轉(zhuǎn)角不大于0.005 rad，屬正常狀態(tài)；抗震錨栓變形貼緊柱頂，上下支座板及相應(yīng)構(gòu)件均未發(fā)現(xiàn)有裂紋及銹蝕情況，支座尚處在大致正常的工作狀態(tài)。內(nèi)環(huán)橋各支點(diǎn)主梁位移值見圖3。

圖3　支座位移實(shí)測值(橫向代表側(cè)向位移)

2側(cè)向位移病害分析

本曲線梁橋，中支點(diǎn)雙向活動支座處主梁側(cè)向位移接近支座使用極限值，造成柱頂抗震錨栓彎曲變形，甚至屈服。此類病害發(fā)展使得支座位移超限、承載力降低，甚至存在傾覆的危險。為確定合理有效、具有針對性的加固措施，需對橋梁現(xiàn)況側(cè)向位移進(jìn)行分析，找出病害產(chǎn)生的原因。

通過建立橋梁有限元模型，計算主梁在恒載、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變、溫度等作用下側(cè)向位移，并與現(xiàn)場實(shí)測位移進(jìn)行對比，分析確定該橋側(cè)向位移產(chǎn)生的主要原因，找出引起橋梁側(cè)向爬移的可變作用效應(yīng)。

2.1　計算模型

采用Midas有限元程序建立橋梁計算模型，主梁、墩柱采用梁單元模擬，活動支座通過彈性連接模擬，墩柱底部按固結(jié)考慮。計算模型見圖4。

2.2　側(cè)向位移對比分析

2.2.1側(cè)向位移趨勢分析

引起平面曲線梁橋側(cè)向位移的因素包括主梁自重、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變作用、降溫作用及橫向溫差作用等，本文建立計算模型，對上述因素進(jìn)行逐一分析，并與橋梁實(shí)際位移進(jìn)行對比。在引起側(cè)向位移趨勢上，對上述因素計算分析如下：

(1) 自重作用。主梁的側(cè)向位移可忽略；預(yù)應(yīng)力作用下主梁側(cè)向位移方向向著曲線外側(cè)，見圖5。隨著時間發(fā)展主梁側(cè)向徐變位移逐漸增大，其方向與預(yù)應(yīng)力作用下主梁位移方向一致，見圖6。

(2) 主梁混凝土收縮作用。其側(cè)向位移方向向著曲線內(nèi)側(cè)，越靠近梁端，其側(cè)向位移越大，見圖7。橋梁合龍時為9月份，而實(shí)際檢測主梁位移時間為1月份，為方便與實(shí)際位移進(jìn)行對比，計算曲線梁在降溫作用下的側(cè)向位移，其位移方向與收縮作用下側(cè)向位移方向一致，見圖8。另外，由于主梁曲線內(nèi)側(cè)受日照作用，會沿主梁橫斷面方向產(chǎn)生梯度溫差。此橫向溫差作用下，主梁側(cè)向位移方向與降溫作用相反，見圖9。對以上各作用引起的側(cè)向位移進(jìn)行代數(shù)疊加，總位移方向與實(shí)測位移方向一致，均向曲線外側(cè)，見圖10。

圖5預(yù)應(yīng)力作用下圖6徐變作用下

主梁位移主梁位移

圖7收縮作用下圖8降溫作用下

主梁位移主梁位移

圖9主梁橫向溫差圖10永久作用及可變

作用下主梁位移作用下主梁位移

2.2.2側(cè)向位移數(shù)值對比

確定位移趨勢后，根據(jù)計算模型進(jìn)一步得出曲線梁在恒載、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變、系統(tǒng)降溫、橫向溫差、離心力等作用下的側(cè)向位移及實(shí)測位移見表1。

表1　曲線梁各支點(diǎn)側(cè)向位移及實(shí)測位移對比表　mm

計算結(jié)果中，恒載、收縮、溫度作用下主梁側(cè)向位移較小，預(yù)應(yīng)力、徐變及離心力作用下主梁側(cè)向位移較大。各作用引起的側(cè)向位移疊加后，和實(shí)測值基本一致。

2.2.3徐變作用下主梁位移發(fā)展

根據(jù)計算結(jié)果，預(yù)應(yīng)力、徐變及離心力產(chǎn)生側(cè)向位移較大。預(yù)應(yīng)力作用引起的位移已穩(wěn)定，另需確定永久作用中的徐變效應(yīng)完成程度，為限位設(shè)計是否克服剩余徐變效應(yīng)位移提供依據(jù)。

參考《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[2]附錄F徐變計算經(jīng)驗(yàn)公式，將本橋設(shè)計參數(shù)代入進(jìn)行計算，橋梁運(yùn)營20年后徐變效應(yīng)已完成97%，見圖11，可認(rèn)為橋梁運(yùn)營20年后，主梁在徐變作用下的側(cè)向位移已基本趨于穩(wěn)定。

圖11　主梁各支點(diǎn)側(cè)向徐變位移隨時間變化曲線

2.3　側(cè)向位移原因分析

通過對比橋梁側(cè)向位移理論計算值與實(shí)測值，并結(jié)合徐變作用下主梁位移發(fā)展，對此平面曲線橋梁側(cè)向位移病害做如下分析。

(1) 理論計算位移與實(shí)測位移趨勢一致，引起側(cè)向位移的因素包括預(yù)應(yīng)力作用、收縮徐變作用、溫度作用及離心力作用等。

(2) 主梁側(cè)向位移主要由預(yù)應(yīng)力、徐變、離心力等共同作用。由于本橋滑動支座縱向布置方向指向曲線梁收縮中心，對于收縮、整體降溫作用引起的支座側(cè)向位移很小。

(3) 除個別支點(diǎn)外，主梁側(cè)向位移實(shí)測值均大于計算值，兩者差值基本體現(xiàn)曲線梁側(cè)向位移不可恢復(fù)的變形，即爬移值。

(4) 側(cè)向位移引起的主要因素中，永久作用包括預(yù)應(yīng)力、徐變作用已趨于穩(wěn)定，最終位移為確定值，爬移位移產(chǎn)生的主要原因?yàn)榭勺冏饔弥须x心力作用。

3側(cè)向限位加固設(shè)計

根據(jù)病害原因分析，結(jié)合計算結(jié)果以及相關(guān)研究成果[3], 本橋防爬移加固安裝側(cè)向限位裝置，結(jié)合墩柱加固限制主梁進(jìn)一步爬移。

防爬移限位裝置自上而下由錨固鋼板、限位鋼板及限位組件組成，其中錨固鋼板與主梁進(jìn)行連接，限位組件與墩柱進(jìn)行連接，兩者之間通過限位鋼板限制其側(cè)向位移，見圖12。本限位裝置安裝于墩柱頂部橫橋向兩側(cè)，上部限位鋼板通過錨固鋼板處的錨固螺栓與主梁底面連接，下部限位組件與墩柱頂部外包鋼板焊接連接，限位鋼板插于限位組件的內(nèi)外鋼板和內(nèi)外滑動塊之間。本限位裝置約束側(cè)向位移，限制主梁爬移；在沿支座縱向自由滑動的同時，滿足平面曲線梁水平自由轉(zhuǎn)動。

圖12　限位裝置連接示意圖(單位：mm)

限位裝置通過拼裝連接，滿足可檢查、易養(yǎng)護(hù)、可維修、可更換的要求；該裝置重量較輕，對墩柱承載能力影響??；同時該裝置全部由鋼構(gòu)件拼裝而成，具有構(gòu)造簡單、工程造價低、施工方便，適合工廠批量生產(chǎn)，現(xiàn)場栓接安裝，不影響橋面交通、外觀美觀等特點(diǎn)。

此裝置有效約束了主梁的側(cè)向位移，防止支座橫向位移過大時造成承載力不足，也可使各墩均勻分擔(dān)水平地震力，提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力。在獨(dú)柱支撐橋梁平面曲線梁橋的抗傾覆加固中，此裝置也存在應(yīng)用的空間。在曲線梁橋大修中具有廣泛的應(yīng)用前景，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會

效益。

4結(jié)論

(1) 平面曲線梁橋在永久作用和可變作用下會產(chǎn)生側(cè)向變位。在使用過程中，永久作用引起的側(cè)向變位隨著時間累積，最終趨于穩(wěn)定；而可變作用下的側(cè)向變位由于周期作用，在其消失后其側(cè)向變位并不能完全恢復(fù)，會產(chǎn)生部分不可恢復(fù)的殘余位移，此平面?zhèn)认驓堄辔灰浦鹉昀鄯e，產(chǎn)生爬移。

(2) 引起曲線梁橋側(cè)向位移的因素包括主梁自重、預(yù)應(yīng)力作用、收縮徐變作用、溫度作用及離心力作用等，其中預(yù)應(yīng)力、徐變、離心力作用為側(cè)向位移產(chǎn)生的主要原因。

(3) 經(jīng)計算實(shí)際可變作用引起的側(cè)向彈性位移較小，對墩柱進(jìn)行加固后，可在墩柱頂部設(shè)置防爬移限位裝置，約束主梁進(jìn)一步爬移，確保橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全。

(4) 此種加固技術(shù)可為今后曲線梁橋類似病害處理提供經(jīng)驗(yàn)參考。

參考文獻(xiàn)

[1]邵容光,夏淦.混凝土彎梁橋[M].北京:人民交通出版社,1994.

[2]JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[3]新定,丁漢山,吉林,等.混凝土連續(xù)彎梁橋側(cè)向位移分析及對策研究[J].公路交通科技,2006,23(11):64-67.

Lateral Displacement Disease Analysis and Repair and

Reinforcement for a Plane Curve Beam Bridge

QinYonggang1,QiaoJie2,WangZening1,WangChenmei1

(1.Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute, Beijing 100082, China;

2.Beijing City Road Maintenance Management Center, Beijing 100069, China)

Abstract：Plane curve beam bridges, especially Single column supported curve beam bridges, under the permanent action and Variable action, will produce a lateral displacement. A flat curve girder bridge located at Beijing's Second Ring Road, girder lateral displacement at the bidirectional movable supports on intermediate fulcrum is close to the bearing limit value, which causes bending deformation of the seismic anchor, even yield. In this paper, a model of the bridge has been built to calculate the lateral displacement under actual load, which has been compared with the measured lateral displacement.The permanent deformation of the status bridge has been basically stabilized, Actually，actual variable action will cause smaller lateral elastic displacement. Select the appropriate ambient temperature, set anti-climb stopper at pier top to ensure safe operation of the bridge structure.

Key words:plane curve beam bridge; lateral displacement; disease analysis; repair and reinforcement

收稿日期：2015-01-20

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.013