某匝道橋的病害整治措施研究

摘 要：某互通立交A匝道橋上跨濟廣高速公路，上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩臺。本文首先對橋梁的主要病害進行了介紹，并采用彎斜坡異型橋梁空間結(jié)構(gòu)分析軟件系統(tǒng)3D-BSA’2008對橋梁進行了針對性的結(jié)構(gòu)分析，其次結(jié)合橋梁的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，對橋墩墩身開裂、橋梁橫向位移及支座破壞進行了深入的分析，針對這些病害提出了相應的加固處理措施。為避免此類病害的發(fā)生，最后提出了在設計中應著重注意的問題。該文提出的病害整治措施和設計中注意的問題可為同類橋梁的加固和設計提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：匝道橋 病害整治 措施 結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號：U445 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（b）-0097-03

1 橋梁概況

某互通立交A匝道橋上跨濟廣高速公路，跨徑組合為三聯(lián)4×20m+（20+2×32+20）m+4×20m，第一、三聯(lián)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，第二聯(lián)采用現(xiàn)澆預應力混凝土連續(xù)箱梁，該橋中心樁號AK0+678.776，起點樁號AK0+543.556，終點樁號AK0+813.996，橋梁全長270.44 m。橋梁上跨濟廣高速斜交角度為60.456°。

橋梁縱面位于R=4800 m的凸形豎曲線，橋?qū)?9.0 m，橋面橫坡為單向最大6%，最大縱坡2.75%，本橋位于半徑R=280 m，緩和曲線長LS=220 m的平曲線內(nèi)。

橋跨布置：第一、三聯(lián)采用4×20m現(xiàn)澆鋼筋混凝土單箱四室連續(xù)箱梁，第二聯(lián)采用（20+2×32+20）m現(xiàn)澆預應力混凝土單箱四室連續(xù)箱梁。

橋梁下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土肋板式橋臺，臺身高分別為5.5和6.2 m，承臺高1.5 m，采用6根φ1.2 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋墩采用樁柱式橋墩，墩柱直徑為φ1.3 m，樁基采用φ1.5 m樁基礎(chǔ)。

箱梁采用C50砼；橋面鋪裝采用10 cm厚瀝青混凝土+三涂FYT改進型防水層+8cmC50混凝土調(diào)平層；橋墩立柱、系梁、承臺及防撞護墻采用C30砼；樁基采用C25砼。全橋均設置GPZ（Ⅱ）系列盆式橡膠支座；全橋四道伸縮縫均為D80型伸縮縫。

2 橋梁主要病害

通過全橋的檢測，橋梁的主要病害為橋墩墩身裂縫、主梁橫向位移及支座移位及破壞。

2.1 橋墩墩身裂縫

以第二聯(lián)6號墩中間立柱及外側(cè)立柱（即為遠圓心側(cè)的墩柱）圓心側(cè)水平環(huán)向裂縫嚴重，最大裂縫寬度1.5 mm，裂縫位置分別位于柱底10 cm、50 cm、90 cm等共計10道，柱頭徑向外傾2.85 cm。

其余墩柱裂縫均出現(xiàn)在中間墩柱或外側(cè)墩柱的圓心側(cè)，距離樁頂約為0～1.5 m處，其最大裂縫寬度約為0.3 mm，最小裂縫寬度約為0.1 mm。其中第一聯(lián)20道，第二聯(lián)33道，第三聯(lián)25道，過渡墩墩身均無裂縫。

2.2 主梁橫向位移

橋梁的橫向位移主要表現(xiàn)在外側(cè)擋塊被擠裂。全橋橋墩擋塊與主梁腹板的間距均明顯小于設計值5 cm，大部分擋塊與主梁腹板緊貼，2、6、8號橋墩外側(cè)擋塊均發(fā)生不同程度開裂，以6號橋墩外側(cè)擋塊最為嚴重。

2.3 支座橫向位移

本橋除固定支座外，其它單向、雙向支座均不同程度發(fā)生橫向位移，其中4號、8號聯(lián)端墩處支座橫向位移嚴重，均在5cm以上。

2.4 支座剪切破壞

4號、8號墩頂支座頂板外滑，造成支座底板隨之滑動，墊石螺栓被剪斷，墊石混凝土（外側(cè)）壓潰；墊石混凝土回彈強度大于60.0 MPa。

3 橋梁結(jié)構(gòu)分析

3.1 模型的建立

以第二聯(lián)為例，為了分析主梁在復雜的平曲線內(nèi)各種作用下的最不利效應，結(jié)構(gòu)分析采用“彎斜坡異型橋梁空間結(jié)構(gòu)分析軟件系統(tǒng)3D-BSA’2008”進行，有限元模型中采用了包括主梁、橫梁、墩臺身、支座、剛臂單元、樁基在內(nèi)的整體結(jié)構(gòu)分析模型。模型中充分考慮了施工及運營階段的結(jié)構(gòu)剛度模擬與各種荷載的作用過程，并且計入了預應力鋼束對箱梁剛度的影響。為便于分析包括活載偏載效應在內(nèi)的空間受力特性，采用柔性-剪力梁格理論建立模型，以用于形成橋面網(wǎng)格進行活載布載?；钶d分析中采用機動法計算內(nèi)力、支反力影響面。利用二維動態(tài)規(guī)劃在內(nèi)力、支反力影響線上進行最不利布載。內(nèi)力、支反力影響面計算中考慮了扭矩的影響，疊加豎向單位力影響面和扭矩單位力影響面，形成組合影響面。縱橫向布載中，汽車車隊的縱向排列和橫向布置及車隊荷載效應的縱橫向折減系數(shù)均滿足《公路工程技術(shù)標準》（JTG B01-2003）中的規(guī)定。

3.2 主要分析結(jié)果

本橋主梁雖發(fā)生橫向位移，但主梁各部均完好，未發(fā)生開裂、局部變形等病害，故認為主梁滿足要求，僅針對橋梁病害進行相關(guān)驗算。

（1）橋墩活載反力、離心力、制動力的計算。

活載按照4列車計入，制動力為442.2KN；設計時速60km/h，標準離心力系數(shù)為0.1012，離心力效應計入活載效應中，計算結(jié)果如表1。

（2）橋墩強度的計算。

橋墩墩身為圓截面，柱徑1.3m，均采用28φ22，橋墩計算長度取2L（L為墩高）。橋墩彎矩由活載的離心力和制動力產(chǎn)生，對于兩個方向的彎矩組合采用以下公式計算：，其中Mx為順橋向彎矩，My為橫橋向彎矩。計算結(jié)果如表2。

4 橋梁主要病害分析

4.1 病害分析

（1）橋墩墩身裂縫。

本橋采用三柱式橋墩，墩頂無橫系梁，橫向三柱不能形成橫向共同受力。從表1可以看出，凡是柱頂無聯(lián)系的橋墩（見圖1橋型布置圖平面），離心力均由中柱承擔，邊柱不參與橫向力的分配；設置蓋梁的過渡墩，橫向力由三柱均勻分配。通過表2可以看出，在橫向力作用下，僅僅由中柱承擔的橋墩，造成中柱受力過大，承載能力不足，故引起墩柱開裂；設置蓋梁的過渡墩，墩身承載能力安全儲備均較大。計算結(jié)果與橋墩實際檢測情況相符。

（2）橋梁橫向位移。

本橋?qū)挾冗_19m，通過計算分析，溫度升降溫對結(jié)構(gòu)橫向位移影響不大。考慮整體升溫30℃，橋梁橫向位移位于聯(lián)端處，最大5mm，故橋梁位移主要由活載的離心力產(chǎn)生。本橋橫向約束體系由圖7示意。橫向剛度由橋臺、過渡墩（4、8號橋墩）及其它橋墩的中柱組成，其聯(lián)端約束較強、聯(lián)中約束較弱的結(jié)構(gòu)體系。

在橫向力作用下，橋梁將產(chǎn)生橫向變形，并且聯(lián)中產(chǎn)生的橫向位移大于聯(lián)端。由橋梁位于曲線上，在橋梁縱向制動力的作用下，也會使橋墩產(chǎn)生橫向位移。當橫向和縱向變形在橋墩的彈性變形范圍內(nèi)時，橋墩依靠自身的剛度可以自行恢復，但支座自身產(chǎn)生的變形無法恢復。支座發(fā)支座上鋼板位移后，支座內(nèi)橡膠體處于偏壓狀態(tài)，使得支座頂面由原來的平面變成向曲線外側(cè)傾斜的斜面，在活載作用下，使支座上鋼板不斷外移，直至支座上鋼板的限位板內(nèi)側(cè)卡死。支座限位板內(nèi)側(cè)卡死后，再產(chǎn)生的變形將由橋墩承擔，使橋墩橫向變形進一步增大，當橋墩變形超出其彈性范圍后，就會導致橋墩墩身環(huán)向開裂，此時橋墩已無法恢復變形。

（3）支座的剪切計算。

本橋第二聯(lián)橋聯(lián)端支座型號為GPZ2.5，其它墩支座型號均為GPZ8。根據(jù)相關(guān)支座資料，GPZ2.5支座錨栓為4M16，GPZ8支座錨栓為4M32。單個M16的螺栓直接抗剪強度為16KN，一個支座抗剪強度為4x16=64KN；單個M32的螺栓直接抗剪強度為64KN，一個支座抗剪強度為4x64=256KN。從表1可看出，4號、8號橋墩離心力（橫向剪力）已經(jīng)大于GPZ2.5支座錨栓的抗剪強度，故導致支座錨栓剪斷破壞，其它墩支座錨栓強度均大于離心力，故不會引起支座錨栓剪斷破壞。

5 整治措施

針對以上病害，進行了以下加固維修處理：

（1）增強橋墩的整體性，增大橋墩的橫向剛度。

增加墩頂橫系梁，使橫向三柱連成整體，橫向力由橋墩整體進行分配，減小中柱橫向力的大小，改善中柱的受力；同時墩頂系梁可作為更換支座的工作平臺。

（2）更換不滿足要求的支座，合理設置支座的限位方向。

對不滿足要求的支座進行更換，增大螺栓直徑，使之在正常使用狀況下支座承載力和螺栓抗剪滿足要求；對于支座噸位、錨栓強度均滿足要求的支座，進行復位?？紤]到溫度橫向變形很小，可以考慮將所有支座橫向限位，以共同分擔徑向力，改善橋墩、支座的受力。

（3）對于出現(xiàn)裂縫的橋墩進行封縫、灌縫處理。經(jīng)計算，增增加墩頂橫系梁后，原墩身結(jié)構(gòu)尺寸可滿足受力要求，故無需采用增大截面、貼碳纖維布等措施。橋梁采用以上整治措施進行施工，竣工后目前已運營3年，未出現(xiàn)前述病害。

6 結(jié)語

通過對本橋的病害分析和處理措施，反映了設計過程中對結(jié)構(gòu)受力考慮不夠全面及構(gòu)造的不合理。為避免同類橋梁出現(xiàn)類似病害，對該類橋梁在設計中應注意的問題進行總結(jié)，為同類橋梁的設計提供參考。

（1）計算模型與實際受力的不一致。

在設計計算過程中，一座橋墩的三柱同時受力，是可以滿足要求的；而在設計過程中，一座橋墩的三柱并沒有整體受力，使得一座橋墩中僅一個墩柱承受橫向力，導致受力墩柱開裂。

（2）充分考慮曲線橋梁的受力特性，合理約束橋梁的橫向位移。

曲線橋梁的受力特性決定了橋梁在活載作用下將產(chǎn)生離心力，該力的大小與曲線半徑、行車速度、橋梁跨徑均有密切關(guān)系。離心力的大小、支座的橫向約束直接決定了橋梁的橫向位移，故在設計過程中應綜合考慮，盡可能約束橋梁的橫向變位，使橋梁上下部結(jié)構(gòu)形成整體，減小橋梁的橫向位移。

（3）注重支座的受力驗算。

支座是橋梁上下部結(jié)構(gòu)的聯(lián)系的重要紐帶，支座的安全與否將直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全。設計中往往只注重支座的豎向承載力，忽略了支座的抗剪驗算。本橋中就是因為離心力大于支座錨栓的抗剪強度引起的剪切破壞。引起橋梁病害的因素很多，設計中應對各影響因素進行充分、認真的考慮和判斷，深入了解橋梁的受力特性，注重關(guān)節(jié)部位的構(gòu)造和受力要求，確保計算模型與實際受力一致，就能大大降低橋梁的病害。

參考文獻

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