某連續(xù)彎箱梁橋側(cè)移分析和處治對策研究

陳仲揚(yáng)，虞建成，李后川

（1.江蘇交通控股有限公司，江蘇 南京 210002；2.東南大學(xué)，江蘇 南京 210096）

1 工程概況

某連續(xù)鋼筋混凝土彎箱梁匝道橋跨越高速公路主線，平面位于R=200 m的圓曲線及A=70 m的緩和曲線上，縱斷面位于R=2 000 m的豎曲線上，如圖1所示。橋梁全長256.24 m，跨徑布置為10×25 m。橋面橫向設(shè)置單向4%超高橫坡，橋面全寬15.5 m，橫向布置為0.5 m（護(hù)欄）+6.75 m（行車道）+1.0 m（中央分隔帶）+6.75 m（行車道）+0.5 m（護(hù)欄）。鋪裝層為9 cm厚瀝青混凝土鋪裝。設(shè)計(jì)荷載采用汽—超20、掛—120。

箱梁截面中心高度為130 cm，單箱3室截面，直腹板；箱梁底寬10.5 m，箱梁頂寬15.5 m，翼緣板懸臂長度為2.50 m。箱梁腹板厚度由各跨跨中為36 cm折線漸變至橋墩(臺)橫隔梁處為50 cm，箱梁底板厚度由跨中為15 cm折線漸變至橫隔梁處30 cm，頂板厚度為20 cm。在墩頂和梁端設(shè)置橫隔梁，梁端橫隔梁厚0.8 m，墩頂橫隔梁厚1.5 m。

橋梁下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩、臺，橫橋向沿徑向設(shè)置，只在橋臺處設(shè)臺帽，其余墩均為分離的雙柱式墩身。墩柱采用圓形截面，柱徑1.2 m。各橋墩處，單根墩柱對應(yīng)單根鉆孔灌注樁，樁徑1.5 m，設(shè)計(jì)樁長40 m，未設(shè)系梁或承臺；0#臺基樁直徑1 m， 10#臺基樁直徑1.5 m，設(shè)計(jì)樁長25 m。橋梁橫斷面布置如圖2所示。

圖1 橋梁平面、立面（半）布置圖（單位：cm）

圖2 橋梁墩、臺處橫斷面布置圖（單位：cm）

橋臺處單向活動(dòng)支座采用GPZ2000DX，1#~4#、6#~9#橋墩處雙向活動(dòng)支座采用GPZ4000SX，5#中墩處柱頂采用固定支座GPZ4000GD。

橋臺處采用D160型毛勒伸縮縫。墩、臺支座平面布置如圖3所示。

圖3 支座平面布置圖

2 橋梁病害分析

在早期橋梁養(yǎng)護(hù)檢查中，發(fā)現(xiàn)箱梁的外弧側(cè)兩橋臺擋塊發(fā)生了破損、擠碎現(xiàn)象，各中間橋墩活動(dòng)支座的上、下鋼板之間發(fā)生了一定量值的橫向滑動(dòng)等病害。并且后來該匝道橋跨越主線的第5跨曾經(jīng)受到超高車輛的嚴(yán)重撞擊，造成該跨跨中附近箱梁內(nèi)弧側(cè)腹板、底板局部破損。

在后期現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，固定支座墩（5#墩）的兩根墩柱相對于相鄰的4#、6#墩墩柱明顯橫橋向傾斜。通過測量，地表以上6.25 m高墩柱的頂、底部相對變形為橫橋向12 cm（向外弧側(cè)傾斜）、縱橋向5 cm；且該墩柱底部地表以上2 m范圍內(nèi)存在數(shù)條環(huán)狀裂縫，縫長均小于半圓周長。裂縫豎向間距為30 cm左右。裂縫寬度小于0.1 mm。經(jīng)開鑿探測，裂縫深度小于1 cm。

根據(jù)以上病害情況結(jié)合大量文獻(xiàn)調(diào)研可知，對于連續(xù)彎箱梁橋在溫度作用、活載離心力等的作用下具有向外弧側(cè)爬移的趨勢，當(dāng)橫向爬移到達(dá)一定量值后，可能會(huì)趨于穩(wěn)定，但是當(dāng)約束條件變化，梁體剛度變化以及其它外界因素的干擾下，梁體向外弧側(cè)移動(dòng)可能會(huì)繼續(xù)發(fā)展［1-3］。

該橋箱梁在受到汽車撞擊力的影響下再次發(fā)生了較大的橫向移位現(xiàn)象。結(jié)合對本橋特點(diǎn)的分析，溫度作用、活載離心力、撞擊力應(yīng)是導(dǎo)致梁體和5#墩墩柱向外弧側(cè)發(fā)生橫橋向位移和彎曲變形以及梁體向江陰側(cè)發(fā)生縱向位移的主要原因，而梁體位移無法恢復(fù)則是由于支座摩阻力反作用、梁體剛度變化以及5#墩墩柱變形后可能存在反作用抵抗導(dǎo)致的。

由數(shù)次檢查結(jié)果可知，擋塊開裂、箱梁以及固定墩橫橋向變形是在不斷發(fā)展的，在梁體受到車輛撞擊前，梁體就產(chǎn)生了一定的橫橋向移位，這是溫度變化和離心力反復(fù)作用的結(jié)果。在車輛撞擊后，結(jié)合對墩柱、基樁工作狀態(tài)的理論分析，5#墩柱由于設(shè)置了固定支座，因橫橋向變形較大而承受橫橋向作用力，導(dǎo)致開裂而存在剛度降低現(xiàn)象，梁體無法恢復(fù)到原有位置［4］，但仍具備一定的彈性；但5#墩基樁存在較大變形并可能存在地表下樁身開裂病害，事實(shí)上通過開挖，地表下2 m范圍內(nèi)樁身發(fā)現(xiàn)了更為嚴(yán)重的環(huán)向開裂現(xiàn)象，縫長大于半圓周長，裂縫豎向間距為25 cm左右，裂縫寬度最大超過0.5 mm，裂縫深度大于20 cm。土體對基樁的握裹、摩阻長度減小，已經(jīng)降低了設(shè)計(jì)需要的部分承載作用，增加了樁身自由段長度，樁土共同作用有較大削弱。

3 處治對策分析

由于該橋橫向移位量值較大，并且5#固定支座墩柱病害較為嚴(yán)重，需要針對箱梁橫向移位病害以及墩柱開裂病害進(jìn)行全面有效的處治。

3.1 墩柱改造

原5#墩的兩根墩柱已經(jīng)傾斜且存在嚴(yán)重裂縫病害，從結(jié)構(gòu)安全性與長期耐久性角度考慮，應(yīng)對其進(jìn)行更換改造，更換過程中設(shè)置了臨時(shí)鋼管支撐，確保在原5#墩兩根墩柱失去支承作用情況下或在后期5#墩改造過程中，臨時(shí)支撐能夠有效支撐箱梁且有效限制箱梁的豎向變形。

臨時(shí)支撐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮能夠提高5#墩橫橋向整體抗推剛度，使得5#墩能夠有效抵抗溫度、離心力、制動(dòng)力等因素引起的箱梁、墩身橫向變形，增加橋梁橫向變形剛度，且確?；A(chǔ)自身受力安全。

在5#墩處治的同時(shí)，利用施工有利條件，對相鄰墩同步進(jìn)行改造，采取合理措施減小5#墩墩柱所受的徑向力，確保下部結(jié)構(gòu)的受力安全。

根據(jù)上述考慮，對該橋墩柱采取了如下處治方案進(jìn)行改造：

（1）先增設(shè)PHC管樁，并新增承臺將原樁基與新管樁連成整體，加強(qiáng)樁基礎(chǔ)的整體抗推剛度與承載力；

（2）利用臨時(shí)鋼管支撐先進(jìn)行5#墩的反力轉(zhuǎn)換，把原墩柱支反力頂升置換到臨時(shí)鋼管支撐上。

（3）對于5#墩，保留利用原鉆孔灌注樁，拆除原墩柱；

（4）該連續(xù)彎箱梁橋聯(lián)長較大，對于僅在中間墩固定支座和橋臺處通過支座、擋塊限制箱梁橫橋向位移的原支承形式，經(jīng)實(shí)踐論證其存在不足，不利于橋梁抗震，而且對于箱梁橫向位移的預(yù)估不足。為了保證結(jié)構(gòu)不再出現(xiàn)同樣的病害，在改造5#墩時(shí)考慮采用整體性更好、抗推能力更大的墻式墩身與主梁固結(jié)形式［5］。因此，加固改造中在新增承臺上將原臨時(shí)鋼管支撐包裹澆筑形成5#墩新的墻式墩身，并與箱梁進(jìn)行固結(jié)連接，局部形成剛架結(jié)構(gòu)，對主梁受力也有一定的改善。臨時(shí)支撐和承臺立面如圖6所示。

圖4 臨時(shí)支撐和承臺立面圖（單位：cm）

在設(shè)置墩梁固結(jié)過程中，對其與原橋的雙圓柱式墩身的支撐形式進(jìn)行了對比，相對于柱式墩身、墩梁鉸接方式，實(shí)體墩身自身的縱橋向與橫橋向抗彎剛度更強(qiáng)，與承臺、基樁的整體性要更優(yōu)；而且當(dāng)采用墩梁固結(jié)方式時(shí)，更大的側(cè)向抗推剛度能夠更好地限制箱梁的平面位移、扭轉(zhuǎn)變形，墩身、承臺以及箱梁（中橫梁）形成整體后反而具備更好的橫橋向抗推性能，而且箱梁與墩身之間通過固結(jié)點(diǎn)傳遞彎矩對箱梁承受豎向荷載作用是有利的［6-7］。5#墩改造后的構(gòu)造示

對5#墩采用墩梁固結(jié)的方式進(jìn)行改造后，也使主梁在活載作用下的墩頂負(fù)彎矩和相鄰跨跨中正彎矩內(nèi)力均有所減小，對橋梁結(jié)構(gòu)受力有一定的改善，通過理論計(jì)算分析，加固前后上部結(jié)構(gòu)主梁活載彎矩內(nèi)力變化如表1所示：

意圖如圖7所示。

圖5 5#墩墩梁固結(jié)示意圖（單位：cm）

表1 加固前后上部結(jié)構(gòu)主梁活載彎矩內(nèi)力變化

（5）在4#墩、6#墩處，在原兩墩柱之間新增柱頂橫系梁，提高了橋墩的整體抗推剛度。

3.2 箱梁整體頂升

支座上下鋼板橫移錯(cuò)位，對長期使用造成不利影響，應(yīng)進(jìn)行更換修復(fù)。理論分析結(jié)果表明，即使在當(dāng)前箱梁所處的橫向彎曲狀態(tài)，理論上支承中心位置雖然發(fā)生了最大12 cm的橫向變化，但對箱梁內(nèi)力的影響很小，支反力的偏心作用也不會(huì)對1#~4#墩、6#~9#墩墩柱的受力安全造成大的影響，而且實(shí)際上橫向彎曲未造成箱梁外弧側(cè)的開裂破壞，因此除5#固定墩柱外，總體上橋梁上、下部結(jié)構(gòu)仍處于安全受力狀態(tài)。鑒于此，僅對箱梁進(jìn)行整體豎向同步頂升，釋放固定約束以及支座摩阻作用以使得箱梁橫向彎曲變形能夠得到一定恢復(fù)，即使受限于溫度等因素的不可抗拒影響，部分位移可能仍然無法恢復(fù)，箱梁以及下部結(jié)構(gòu)的受力安全也能夠得到保證，而且避免了側(cè)向頂推的風(fēng)險(xiǎn)、控制難度大和不可預(yù)測性。考慮以上因素，采取更換支座、下部結(jié)構(gòu)改造的總體方案，未對梁體進(jìn)行橫向頂推復(fù)位。

3.3 支座形式改造

原設(shè)計(jì)中間墩除固定墩外均為雙向活動(dòng)支座，為加強(qiáng)對上部結(jié)構(gòu)的橫向限位，將原4#、6#墩處的外弧側(cè)雙向活動(dòng)支座改為單向活動(dòng)支座，即GPZ4000SX改為GPZ4000DX。

3.4 加強(qiáng)橋臺處擋塊

對橋臺處內(nèi)、外弧側(cè)的擋塊一并處理，并且設(shè)計(jì)上增加了擋塊尺寸［8］，加強(qiáng)擋塊的抗推限位能力。原設(shè)計(jì)擋塊尺寸為30 cm（橫橋向）×40 cm（高度）×145 cm（縱橋向），而且擋塊與箱梁側(cè)面的凈距僅為1 cm。改造過程中將原擋塊鑿除，新?lián)鯄K尺寸調(diào)整為160 cm（橫橋向）×65 cm（高度）×145 cm（縱橋向），擋塊與箱梁側(cè)面凈距調(diào)整為5.4 cm，并在擋塊與箱梁之間安裝GJZ400 mm×400 mm×54 mm板式橡膠支座，使梁體在橫向力的作用下壓縮彈性支承產(chǎn)生一定的橫向位移，并起到緩沖作用，當(dāng)外荷載的作用消失時(shí)，在彈性力作用下，部分橫向位移將會(huì)得到恢復(fù)。

4 結(jié)論

該橋根據(jù)以上處治方案改造加固完成后，考慮到橋梁的重要性、特殊性及施工差異性，同時(shí)也為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，對該橋進(jìn)行了兩個(gè)月一次的長期跟蹤觀測，觀測的重點(diǎn)為5#墩墩身觀測、基礎(chǔ)沉降觀測以及箱梁變位觀測、梁體裂縫觀測等。通過兩年來的觀測，5#墩墩身無外觀病害，改造后沉降很??；箱梁未再次產(chǎn)生橫橋向位移，梁體未見新生裂縫。實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)所采取的措施是合理可行的，改造施工是成功的，處治對策可供同類工程借簽。

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