連續(xù)獨(dú)柱墩彎箱梁橋偏移分析及糾偏措施研究

劉慶良，趙 棟，呂惠明，翟瑞興

（1.蘇州繞城高速公路有限公司，江蘇 蘇州215006；2.常州華瑞特種加固技術(shù)工程有限公司，江蘇 常州 213031）

連續(xù)獨(dú)柱墩彎箱梁橋偏移分析及糾偏措施研究

劉慶良1，趙 棟2，呂惠明2，翟瑞興2

（1.蘇州繞城高速公路有限公司，江蘇 蘇州215006；2.常州華瑞特種加固技術(shù)工程有限公司，江蘇 常州 213031）

鑒于近年來連續(xù)獨(dú)柱墩彎箱梁發(fā)生的橫向偏移、扭轉(zhuǎn)、傾覆等安全問題，以某匝道橋?yàn)槔?，通過對設(shè)計(jì)階段支座布置形式、施工階段預(yù)應(yīng)力效應(yīng)及營運(yùn)階段活載離心力、溫度、超載效應(yīng)等進(jìn)行理論分析，闡明連續(xù)獨(dú)柱墩彎箱梁橫向偏移是設(shè)計(jì)、施工、營運(yùn)等多個(gè)階段下多個(gè)因素綜合作用影響的結(jié)果；提出偏移問題往往可能與傾覆問題同時(shí)存在和相互影響，應(yīng)同步分析評估；制定彎箱梁偏移問題的分析方法和處置措施，為今后同類工程問題的處置提供參考。

彎箱梁；獨(dú)柱墩；支座布置；同步頂升；糾偏

彎箱梁橋?qū)Φ匦巍⒌孛驳倪m應(yīng)性較強(qiáng)，能夠靈活地滿足立體交通轉(zhuǎn)向以及立交橋特殊、復(fù)雜線形變化的需要，而連續(xù)獨(dú)柱墩彎箱梁兼具有減少占用土地、改善下部結(jié)構(gòu)布局、橋下空間可利用和橋型美觀等優(yōu)點(diǎn)，在高等級公路、城市立交的匝道橋上應(yīng)用廣泛，是互通立交橋極其重要的組成部分。然而，由于設(shè)計(jì)、施工、使用環(huán)境等多種因素的影響，近年來，很多連續(xù)獨(dú)柱墩彎箱梁隨著時(shí)間推移，逐漸發(fā)生了橫向偏移、扭轉(zhuǎn)等問題，甚至發(fā)生傾覆安全事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響［1］。因此，對于在役的該類橋梁，應(yīng)在管養(yǎng)中加強(qiáng)對箱梁偏移、扭轉(zhuǎn)等病害問題的檢查和跟蹤，對偏移的原因做充分論證分析，及時(shí)采取合理有效的措施進(jìn)行處置，防范安全事故的發(fā)生。本文以某匝道橋箱梁橫向偏移問題為研究對象，對此類問題的分析方法、處治措施進(jìn)行探討。

1 工程概況

某匝道橋全長808.8 m，跨徑布置為4×22 m+（13+ 20+13）m+3×20 m+2×（4×20 m）+（16.4+20+16.4）m+3×32 m+3×22 m+4×（3×20）m，平面處于R=190 m的圓曲線上，其中第7聯(lián)3×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋上跨高速公路。橋面全寬10.5 m，橫向布置為0.5 m（護(hù)欄）+9.5 m（行車道）+0.5 m（護(hù)欄），超高橫坡為6%。設(shè)計(jì)荷載采用汽—超20、掛—120。

經(jīng)檢查，第7聯(lián)（處于21#～24#墩）連續(xù)彎箱梁存在橫向偏移，且24#過渡墩處橫向偏移量達(dá)到了4.5 cm（朝向外弧側(cè)），伸縮縫橡膠條發(fā)生剪切破壞，支承32 m橋跨的2個(gè)四氟滑板式橡膠支座分別存在5°（內(nèi)弧側(cè)支座）和20°（外弧側(cè)支座）的剪切角，其中外弧側(cè)支座的剪切變形達(dá)到了4 cm左右，而未發(fā)現(xiàn)支座有明顯滑動(dòng)的痕跡，第7聯(lián)彎箱梁立面圖如圖1所示。重車經(jīng)過時(shí)橋面振感、晃動(dòng)明顯。經(jīng)跟蹤觀測，箱梁仍有繼續(xù)偏移的趨勢，將對橋梁安全造成較大隱患，管養(yǎng)單位及時(shí)封閉了橋面交通，并組織特殊檢查和維修改造。

圖1　 第7聯(lián)彎箱梁立面圖（單位：cm）

2 箱梁偏移與傾覆穩(wěn)定分析

2.1 偏移原因分析

發(fā)生偏移的第7聯(lián)為連續(xù)彎箱梁且中墩為連續(xù)兩個(gè)獨(dú)柱墩，22#、23#墩分別設(shè)置1個(gè)固定支座和1個(gè)雙向活動(dòng)支座，設(shè)10 cm預(yù)偏心，21#、24#過渡墩為蓋梁雙柱式墩身，各設(shè)2個(gè)四氟板式橡膠支座。支座布置平面圖如圖2所示。

圖2　 第7聯(lián)彎箱梁支座布置平面圖

彎箱梁的橫向偏移有一個(gè)累積的過程，故應(yīng)從施工、運(yùn)營等階段綜合分析其成因，并理論聯(lián)系實(shí)際。考慮橋墩的高度達(dá)到15～17 m，為了準(zhǔn)確地反映上、下部結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，在模型計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮箱梁、支座、橋墩、樁土聯(lián)合作用影響。建模后，對預(yù)應(yīng)力、活載、溫度、超載等可能導(dǎo)致箱梁偏移的效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，重點(diǎn)分析箱梁橫向偏移趨勢和過渡墩支反力分布情況，并結(jié)合實(shí)際情況評估箱梁偏移、轉(zhuǎn)動(dòng)甚至傾覆的安全性［2-3］。

2.1.1 預(yù)應(yīng)力效應(yīng)

預(yù)應(yīng)力效應(yīng)產(chǎn)生在橋梁建設(shè)期間的縱向預(yù)應(yīng)力筋張拉階段，并考慮混凝土長期徐變效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1、表2所示。

表1　 橫向位移及支反力表（不計(jì)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)）

表2　 橫向位移及支反力表（計(jì)入預(yù)應(yīng)力效應(yīng)）

2.1.2 活載離心力效應(yīng)

當(dāng)曲線半徑小于250 m 時(shí)，應(yīng)考慮離心力效應(yīng)。因活載離心力的作用方向總是朝向外弧側(cè)，會造成箱梁向外弧側(cè)變形的趨勢，結(jié)果表明，計(jì)入預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，21#墩橫向位移+2 mm，24#墩橫向位移+9 mm。

2.1.3 溫度效應(yīng)

結(jié)合橋梁所處地域的溫差情況，選取偏不利的情況，假設(shè)體系溫差35 ℃（升溫）進(jìn)行理論分析，結(jié)果表明，計(jì)入溫度效應(yīng)，21#墩橫向位移-1 mm，24#墩橫向位移+4 mm。

2.1.4 綜合分析

通過以上對荷載、溫度效應(yīng)的分析，理論上箱梁會發(fā)生橫向偏移，且在支座摩阻力的影響之下，該偏移量無法完全恢復(fù)，在多年積累之后，會達(dá)到一定的量值（上述分析的綜合影響已達(dá)18 mm）。但是，該橋僅在1個(gè)橋墩上設(shè)固定支座，而擋塊與箱梁之間也未抵緊，故缺乏有效的橫向限位措施。

2.2 超載影響分析

經(jīng)理論分析，設(shè)計(jì)荷載作用下21#、24#過渡墩處支座不會出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，箱梁的傾覆穩(wěn)定性可以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。但是，根據(jù)管養(yǎng)單位對經(jīng)過該橋超限車輛的調(diào)查，實(shí)際出現(xiàn)3輛超限車（100 t/車）同時(shí)上橋、同時(shí)偏向外弧側(cè)車道行駛的可能性很大，而原設(shè)計(jì)單個(gè)車道偏載總重僅160 t，遠(yuǎn)低于實(shí)際情況，存在嚴(yán)重超載的情況。

理論分析時(shí)選取3輛100 t左右重車同時(shí)過橋且偏向外?。ㄙN近護(hù)欄內(nèi)邊緣）行駛，對過渡墩處箱梁的支反力進(jìn)行計(jì)算。原則上，以21#或24#墩處內(nèi)弧側(cè)支座脫空為判斷箱梁出現(xiàn)傾覆趨勢的臨界工況。如表3、表4所示。

當(dāng)3輛重車總重超過330 t后，箱梁將可能發(fā)生整體轉(zhuǎn)動(dòng)，如果該現(xiàn)象出現(xiàn)在實(shí)際通行過程中，箱梁將很可能傾覆。因此，上部結(jié)構(gòu)在超載車作用下存在傾覆安全隱患。

2.3 橋墩變形分析

因21#、24#墩基礎(chǔ)原設(shè)計(jì)采用了一柱一樁的單排樁形式，且該墩兩側(cè)橋跨的跨徑相差較大、墩身又較高，可能影響橋面的晃動(dòng)、振感，故對下部進(jìn)行分析。使得恒、活載豎向偏心作用引起的橋墩水平變形較為明顯。經(jīng)計(jì)算，考慮樁土共同作用下，21#、24#墩恒載作用產(chǎn)生的水平撓度為9 mm（偏向32 m橋跨方向）；設(shè)計(jì)活載作用產(chǎn)生的水平撓度為-3～+6 mm（正號代表偏向32 m橋跨方向），即撓度幅度達(dá)到9 mm。此外，制動(dòng)力也會產(chǎn)生一定的影響。在進(jìn)一步分析樁基承載力過程中，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)樁基豎向承載力富余很小。

表3　 3輛車總重300 t作用下過渡墩支反力 kN

表4　 3輛車總重330 t作用下過渡墩支反力 kN

因此，在設(shè)計(jì)荷載作用下，21#、24#墩將產(chǎn)生9～15 mm的水平撓度，如果發(fā)生超載，過渡墩的撓度會更大，且會對樁基的受力造成不利影響。對于原四氟板式橡膠支座，因墩柱反復(fù)發(fā)生撓曲變形，其四氟滑板的使用壽命也會大大縮短。故有必要加強(qiáng)兩個(gè)過渡墩的整體剛度和樁基承載力。

3 維修改造措施

3.1 改變支座布置形式

箱梁傾覆穩(wěn)定性不好的內(nèi)在原因是其支座的布置形式不利于約束箱梁扭轉(zhuǎn)，容易造成內(nèi)弧側(cè)支座脫空。對此，經(jīng)過多次試算，如果僅通過調(diào)整21#、24#過渡墩處的支座位置（拉大支座中心距），其改善作用有限。經(jīng)深入分析，將23#墩處的單支座支承改為雙支座支承，將原“雙-單-單-雙”的支座布置形式改造為“雙-單-雙-雙”，以確保箱梁在當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行條件下的抗扭及抗傾覆安全。改造后支座布置平面圖如圖3所示。

圖3　 改造后支座布置平面圖（單位：cm）

3.2 提高墩身、樁基整體剛度

對21#、24#過渡墩采取擴(kuò)大墩柱截面、增設(shè)樁基等方式，變單排樁為雙排樁，提高橋墩與基礎(chǔ)的整體抗推剛度，減小荷載作用下的撓曲變形，提高基礎(chǔ)承載力。

對23#墩增設(shè)蓋梁（設(shè)雙支座），并采取增大截面方式，將圓形截面墩柱改造為多邊形截面墩柱，提高23#墩的墩身剛度和抵抗不平衡彎矩的能力。

3.3 加強(qiáng)箱梁橫向限位

取消21#、24#過渡墩處的原四氟滑板支座，更換為單向活動(dòng)盆式橡膠支座和雙向活動(dòng)盆式橡膠支座；將23#墩處原雙向活動(dòng)盆式橡膠支座改為1個(gè)單向活動(dòng)盆式橡膠支座和1個(gè)雙向活動(dòng)盆式橡膠支座，在提高抗扭能力的同時(shí)起到橫向限位作用；增加過渡墩擋塊剛度，加強(qiáng)對箱梁的橫向限位能力，同時(shí)提高橋梁的抗震性能。

4 豎向同步頂升與橫向頂推糾偏控制措施

對3跨連續(xù)箱梁進(jìn)行整體豎向頂升，將箱梁自重完全轉(zhuǎn)換到千斤頂上，此時(shí)梁體僅在22#墩處有固定支座進(jìn)行縱、橫向約束。通過在24#墩處安裝一臺水平千斤頂裝置，橫橋向施加水平頂推力，使箱梁繞22#墩固定支座轉(zhuǎn)動(dòng)，恢復(fù)到原來的平面位置。具體措施如下：

（1）在各墩處布置千斤頂和臨時(shí)支撐，對箱梁進(jìn)行豎向整體同步頂升，應(yīng)避免22#墩固定支座上、下鋼盆脫離；

（2） 在21#、24#墩處，解除箱梁橫向糾偏的位移約束條件，采取千斤頂與梁底之間布設(shè)四氟滑板（涂硅脂油）的方式減小摩阻力；

（3）在24#墩外弧側(cè)的蓋梁側(cè)面及箱梁底面，通過植筋方式，增設(shè)頂推反力牛腿（鋼結(jié)構(gòu)）；

（4）以增設(shè)牛腿作為反力裝置，利用千斤頂橫向頂推，促使箱梁復(fù)位。

同步頂升與橫向頂推糾偏由多個(gè)復(fù)雜的階段組成，尤其因23#墩頂升噸位大且構(gòu)造形式、支座布置有較大改變，該墩上就涉及到兩次支承體系轉(zhuǎn)換。施工過程中梁體的平面和豎向位移控制都非常關(guān)鍵，該項(xiàng)目實(shí)施期間的主要安全控制原則如下［4-5］：

（1）豎向同步頂升期間，頂升力和頂升位移雙控，以頂升點(diǎn)處的箱梁位移為主要控制指標(biāo)，同時(shí)做好改造橋墩沉降的監(jiān)測工作，確保箱梁不發(fā)生強(qiáng)迫位移；

（2） 箱梁最大豎向頂升高度不超過5 mm；

（3）橫向頂推糾偏期間，以頂推點(diǎn)處箱梁的平面位移為主要控制指標(biāo)，頂推位移與設(shè)計(jì)值應(yīng)盡量一致，誤差不應(yīng)超過5 mm；

（4）以理論頂推力作為箱梁實(shí)際頂推力的初始控制參考，在接近理論頂推力時(shí)，緩慢調(diào)整頂推力直至梁體開始滑動(dòng)，實(shí)際測量得到頂推啟動(dòng)力。梁體開始轉(zhuǎn)動(dòng)后，調(diào)整頂推力使梁體緩慢、勻速地轉(zhuǎn)動(dòng)；

（5）分級頂推，每級頂推量為1 cm。

5 結(jié)論

彎箱梁發(fā)生偏移后，對偏移原因應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、營運(yùn)等角度進(jìn)行全面分析，并采取合理有效的措施進(jìn)行處置。

（1）應(yīng)加強(qiáng)對連續(xù)獨(dú)柱彎箱梁的檢查，一旦發(fā)現(xiàn)箱梁偏移現(xiàn)象和量值積累增加的趨勢，應(yīng)立即采取跟蹤觀測措施，并盡快組織特殊檢查且采取必要的交通安全保障措施；

（2）對偏移原因從設(shè)計(jì)階段的預(yù)應(yīng)力、溫度、活載以及運(yùn)營階段的超載、超重等因素進(jìn)行多方面綜合分析，不僅要關(guān)注靜力安全，還需要考慮規(guī)律性荷載作用下的爬移及抗傾覆富余度不足的情況；

（3） 連續(xù)獨(dú)柱彎箱梁偏移問題往往可能與箱梁傾覆穩(wěn)定問題同時(shí)存在甚至相互影響，應(yīng)同步分析。傾覆穩(wěn)定性應(yīng)考慮實(shí)際車輛荷載作用進(jìn)行驗(yàn)算（尤其是超載），改造設(shè)計(jì)中穩(wěn)定系數(shù)可以考慮一定的富余；

（4） 改變箱梁支座布置形式（如單支座變雙支座）這一措施對于加強(qiáng)箱梁扭轉(zhuǎn)約束、提高穩(wěn)定性較為有效，同時(shí)應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)臋M向限位措施；

（5）箱梁的糾偏改造涉及豎向頂升技術(shù)和橫向頂推技術(shù)應(yīng)用，設(shè)計(jì)應(yīng)明確頂升（推）的安全控制指標(biāo)和詳細(xì)實(shí)施方案；同時(shí)，應(yīng)由專業(yè)的監(jiān)控單位對結(jié)構(gòu)安全和施工流程等進(jìn)行過程管控。

通過采取以上多項(xiàng)措施，該連續(xù)箱梁的糾偏改造順利完成，在實(shí)現(xiàn)復(fù)位的同時(shí)，箱梁各支座處的支反力分布也趨于合理，整體穩(wěn)定性得到提高并留有一定的余地。但是，在橋梁營運(yùn)管理中，仍要加強(qiáng)對超限、超載車輛的治理，嚴(yán)禁多輛超限、超載車輛同時(shí)上橋的情況發(fā)生，主動(dòng)防范安全事故。

［1］邵榮光，夏淦.混凝土彎梁橋［M］.北京：人民交通出版社，1994.

［2］趙景周.獨(dú)柱支撐曲線混凝土連續(xù)箱梁橋側(cè)向位移及其加固和限位措施研究［D］.西安：長安大學(xué)，2011.

［3］劉華.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁的側(cè)向位移研究［D］.南京：東南大學(xué)，2004.

［4］ 劉鵬.彎梁橋的評價(jià)與加固方法研究［D］.西安：長安大學(xué)，2007.

［5］何海.某連續(xù)梁橋的偏位成因及處理［J］.城市道路與防洪，2008，9（9）：68-70．

Study on Deviation and Correction Method of Continuous Curved Box Girder with Single Column Pier

Liu Qinliang1, Zhao Dong2, Lv Huiming2, Zhai Ruixing2
（1. Suzhou Surrounding City Expressway Co., Ltd, Suzhou 215006, China; 2. Changzhou Huarui Special Reinforcement Engineering Co., Ltd., Suzhou 213031, China）

In view of lateral shift, twist, overturning and other security issues in recent years, theoretical analysis was taken to discuss the effects of supports arrangement, prestress in construction stage, temperature and overload by taking a ramp bridge for example. It was clarified that, the lateral shift of continuous curved box girder with single column pier was the result of multiple factors working together at the stages of design, construction and operation. The lateral shift and overturning issues often coexisted and influenced each other, which should be synchronously analyzed and evaluated. The analytical methods and measures to deal with the deviation of curved box girder were drafted, which could provide a reference for similar projects.

curved box girder; single column pier; supports arrangement; synchronous jacking up; rectification

U448.21+3

A

1672-9889（2016）04-0043-04

劉慶良（1976-），男，廣東揭西人，高級工程師，主要從事高速公路養(yǎng)護(hù)管理工作。

2016-06-13）