山區(qū)高速公路單向縱坡箱梁橋梁體縱向滑移分析

單積明，蔡 颯，伍 靜

(1.北京市建設(shè)工程質(zhì)量第三檢測所有限責(zé)任公司， 北京 100037;2.深圳高速工程檢測有限公司， 廣東 深圳 518000)

山區(qū)高速公路單向縱坡箱梁橋梁體縱向滑移分析

單積明1，蔡 颯2，伍 靜1

(1.北京市建設(shè)工程質(zhì)量第三檢測所有限責(zé)任公司， 北京 100037;2.深圳高速工程檢測有限公司， 廣東 深圳 518000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的增長，越來越多的高速公路相繼建成通車。特別是一些山區(qū)高速公路，由于受到地勢條件的限制，多呈縱坡大、展線復(fù)雜、區(qū)域小氣候影響大。近年來，我國山區(qū)高速公路互通橋梁相繼出現(xiàn)梁體滑移導(dǎo)致伸縮縫擠死，造成橋面出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，嚴(yán)重影響行車安全。通過對(duì)某高速公路某座互通主線橋伸縮縫擠死導(dǎo)致橋面隆起的現(xiàn)象進(jìn)行了深入調(diào)查，結(jié)合施工質(zhì)量、設(shè)計(jì)理念對(duì)病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析研究，并對(duì)病害提出了針對(duì)性的維修處治建議。為山區(qū)高速公路互通立交橋梁的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)工作有一定的指導(dǎo)意義。

山區(qū)高速公路；梁體滑移；伸縮縫；抵死

某互通橋梁位于某高速公路，由主線橋和A、B、C、D四個(gè)匝道共五部分組成。其中主線橋分左右兩幅，全長670 m，上部結(jié)構(gòu)均采用30 m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。橋梁具體信息見表1。

主橋單幅標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)挒?5.50 m(含3.75 m輔助車道)，橫斷面為帶翼緣多箱室型，翼緣板寬2.5 m；梁體高度為1.80 m。匝道橋A、D匝道橋?qū)挒?2 m，B、C匝道橋?qū)?0 m，翼緣板均寬2.5 m，梁體高度為1.80 m。中跨梁體支點(diǎn)處3 m范圍內(nèi)為實(shí)心段梁體，作為隱形蓋梁。分聯(lián)墩處和橋臺(tái)處邊跨梁體1.47 m范圍內(nèi)為實(shí)心段梁體，作為端蓋梁。

主橋下部結(jié)構(gòu)采用圓柱形墩。當(dāng)墩高大于20 m時(shí)，從樁頂起每隔15 m設(shè)置一道橫系梁。在分聯(lián)墩(伸縮縫處)墩頂設(shè)置直徑為2.2 m圓形墩帽，以便安裝雙支座。

匝道橋下部結(jié)構(gòu)中墩采用獨(dú)柱橋墩，A、D匝道橋分聯(lián)墩采用與主線橋相同的雙柱式帶帽的圓形墩；B、C匝道橋分聯(lián)墩采用2.0 m×2.5 m啞鈴型實(shí)體薄壁墩，每聯(lián)設(shè)置一個(gè)固結(jié)墩，橋梁立面、平面見圖1、圖2。

表1 橋梁信息

注：A匝道橋2#、6#、9#墩為固結(jié)墩；B匝道2#、6#、9#墩為固結(jié)墩；C匝道2#、5#墩為固結(jié)墩；D匝道中2#、6#、9#墩為固結(jié)墩。

圖1 橋梁立面圖

圖2 橋梁平面照

在定期檢查中發(fā)現(xiàn)：

(1) 全橋伸縮縫間距普遍偏小，主線橋左幅與匝道橋結(jié)合處1#伸縮縫抵死且錨固區(qū)混凝土存在明顯的隆起現(xiàn)象、伸縮縫處兩側(cè)防撞墻沿高度方向均有切除痕跡[1]，見圖3、圖4。

(2) 全橋支座均存在不同程度滑移[1]，其中滑移量大于5 cm的有10處(最大滑移為12 cm)，且個(gè)別支座上、下鋼板間有鋼筋焊接，限制支座滑移性能，使之不能參與到梁體受荷載引起的變形中，進(jìn)而改變橋梁結(jié)構(gòu)，形成固結(jié)體系，具體見圖5、圖6。

圖3 右幅1#伸縮縫現(xiàn)澆帶破損露筋

圖4 右幅1#伸縮縫拱起且伸縮縫抵死

圖5 支座縱向滑移9.5 cm

圖6 支座限制位移

(3) 伸縮縫處梁體間距均小于6 cm設(shè)計(jì)間距[2]，其最小間距為0.3 cm，大部分位于2 cm～4 cm之間(檢測時(shí)為夏季高溫季節(jié))，具體見圖7、圖8。

圖7 梁體間距0.3 cm(伸縮縫抵死處)

圖8 梁體間距3 cm

1 理論計(jì)算分析

1.1 伸縮縫伸縮量計(jì)算

查閱竣工圖，橋梁設(shè)計(jì)均采用SSFB-80淺埋式伸縮裝置[3]，選取最長聯(lián)跨(120 m)對(duì)原伸縮縫進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算規(guī)范與原設(shè)計(jì)“85”規(guī)范[4]一致。計(jì)算溫度選取按竣工資料為準(zhǔn)，當(dāng)?shù)卦缕骄罡邷囟萒1=29.6℃；當(dāng)?shù)卦缕骄畹蜏囟萒1=7.1℃；安裝伸縮縫時(shí)溫度T=17℃。其它參數(shù)按規(guī)范[5-6]選取，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 根據(jù)“85”規(guī)范[4]伸縮縫伸縮量計(jì)算表 單位：mm

根據(jù)計(jì)算，采用SSFB-80伸縮裝置的設(shè)計(jì)閉口量為15 mm，開口設(shè)計(jì)量為61 mm，則該裝置安裝時(shí)最大預(yù)壓量為25 mm，最小預(yù)壓量為21 mm，安裝時(shí)的安裝寬度為97 mm。

根據(jù)“04”規(guī)范[7]計(jì)算，取當(dāng)?shù)刈罡哂行鉁刂礣max=34℃、最低有效氣溫值Tmin=-3℃。預(yù)設(shè)安裝溫度上限值Tset，u=20℃；預(yù)設(shè)的安裝溫度下限值Tset，l=10℃；其它參數(shù)按規(guī)范選取[8]，計(jì)算結(jié)果見表3。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，聯(lián)長為120 m的箱梁，建議過渡墩設(shè)置D120型伸縮縫，橋臺(tái)設(shè)置D80伸縮縫。

表3 根據(jù)“04”規(guī)范伸縮縫伸縮量計(jì)算結(jié)果 單位：mm

1.2 梁體滑移分析

以滑移量較大且伸縮縫及梁端間距較小的主線橋第四聯(lián)為例進(jìn)行計(jì)算分析[9-11]?？傮w靜力計(jì)算根據(jù)靜力學(xué)理論，采用專業(yè)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件MIDAS/Civil建立空間模型[12]。

考慮永久作用荷載、汽車制動(dòng)力、溫度荷載等，分析各種荷載作用下梁體變形情況，為推斷和進(jìn)一步分析病害原因提供理論依據(jù)。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[7](JTG D60-2004)中對(duì)制動(dòng)力的描述，本次在一聯(lián)計(jì)算長度上的制動(dòng)力按165 kN×2.34(按3個(gè)設(shè)計(jì)車道)=386.1 kN考慮；按整體升溫或降溫30℃分析(取當(dāng)?shù)貥O端溫度與安裝溫度差值驗(yàn)算)；其他作用力按相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行。

(1) 建立模型。計(jì)算主梁采用C50混凝土，彈性模量E=3.45×104MPa，重度γ=26 kN/m3；橋墩、系梁采用C30混凝土，彈性模量E=3.00×104MPa，重度γ=26 kN/m3，支座采用彈性連接進(jìn)行模擬，并輸入設(shè)計(jì)剛度數(shù)值。根據(jù)規(guī)范[13]常溫型活動(dòng)支座摩擦系數(shù)取0.03，計(jì)算分析在恒載和溫度作用下支座的靜摩阻力見表4。

初步分析判斷，在恒載和溫度力共同作用下，沿橋向水平力小于支座靜摩阻力，進(jìn)一步分析判斷在制動(dòng)力作用下，支座是否產(chǎn)生滑移，此時(shí)橋面對(duì)應(yīng)作用有3個(gè)車道的公路-I級(jí)荷載，按最不利考慮，集中荷載均作用在13號(hào)墩固定支座上，此時(shí)總的靜摩阻力見表5。

表4 恒載和溫度作用下支反力及支座靜摩阻力值

注：①計(jì)算結(jié)果均為2個(gè)支座合計(jì)；②13號(hào)墩為GP27000GD支座。下表同。

表5 恒載和活載作用下支反力及支座靜摩阻力值

由表5計(jì)算可知，在各種主要荷載作用下，支座靜摩阻力均小于支座容許最大靜摩阻力，滿足要求。

假定在各主要荷載作用下，沿橋向水平力均小于支座的靜摩阻力，計(jì)算模型如圖9所示。

圖9 橋梁計(jì)算有限元模型

(2) 分析結(jié)果。先驗(yàn)證假定是否成立，各荷載作用下的沿橋向反力見圖10、圖11。

由圖10～圖11可知，在溫度、恒載、汽車荷載、汽車制動(dòng)力作用下，各墩底(或支座)承擔(dān)的水平向推力如表6所示。

圖10 汽車制動(dòng)力荷載作用下水平向反力(單位：kN)

圖11 整體升溫30℃荷載作用下水平向反力(單位：kN)表6 水平推力與支座摩阻力對(duì)比值

注：計(jì)算時(shí)墩上2個(gè)支座一起考慮。

由表6可知，在升溫、自重及汽車制動(dòng)力作用下，11號(hào)墩頂產(chǎn)生的推力要大于靜摩阻力，此時(shí)該支座將產(chǎn)生滑移，修改模型，將該支座產(chǎn)生的摩阻力作為節(jié)點(diǎn)荷載，作用方向與制動(dòng)力方向相反。

(3) 計(jì)算各荷載作用下墩頂?shù)乃阶兓厔菀妶D12、圖13，墩頂位移值見表7。

根據(jù)原設(shè)計(jì)資料和竣工資料查得，原設(shè)計(jì)梁端理論間距為60 mm，考慮混凝土收縮徐變的影響，按“85”規(guī)范[4]計(jì)算，4年后梁端間距在安裝溫度狀態(tài)下梁端間距應(yīng)為109 mm，理論上梁端距離不發(fā)生頂死現(xiàn)象。因該聯(lián)墩高(墩高為30 m～47 m)，在上部結(jié)構(gòu)受到溫度、恒載、汽車制動(dòng)力等荷載作用下，橋墩與箱梁在水平方向共同協(xié)同變形，部分滑動(dòng)支座達(dá)不到滑移的要求。根據(jù)橋墩偏位檢測，主線橋墩偏移均在10 mm左右，在各種最不利荷載作用下，最大會(huì)產(chǎn)生72.4 mm的梁體水平變形，主要由汽車制動(dòng)力和整體升溫產(chǎn)生，理論上在汽車移開和溫度恢復(fù)之后梁體是可以恢復(fù)變形的[14-15]。

表7 各荷載作用下墩頂水平位移值

圖12 整體升溫30℃荷載作用下整體變形趨勢

圖13 汽車制動(dòng)力荷載作用下整體變形趨勢

1.3 墩柱固結(jié)分析

因主線橋只有固定支座沒有墩梁固結(jié)，根據(jù)相關(guān)專家意見，為徹底解決梁體存在的縱向滑移，建議每聯(lián)設(shè)置類似匝道橋的固結(jié)墩；結(jié)合原橋施工圖和竣工圖，選取主線橋第6聯(lián)驗(yàn)證分析。該聯(lián)中墩固定支座改造為墩梁固結(jié)，固結(jié)前、后主梁彎矩見圖14、圖15、表8。

圖14 固結(jié)前彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

由表8可知，固結(jié)前后承載能力均滿足規(guī)范[4]要求，且固結(jié)前后內(nèi)力相差較小，均在2%范圍內(nèi)。固結(jié)前、后主梁應(yīng)力包絡(luò)見圖16～圖19。

圖15 固結(jié)后彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)表8 主梁承載能力比較表

圖16 固結(jié)前主梁梁底最大應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖17 固結(jié)后主梁梁底最大應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖18 固結(jié)前主梁梁頂最大應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖19 固結(jié)后主梁梁頂最大應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

由圖16～圖19可知，固結(jié)前、后邊梁梁底最大正應(yīng)力均為-2.1 MPa(壓應(yīng)力)，中梁梁底最大正應(yīng)力均為-0.7 MPa(壓應(yīng)力)。滿足規(guī)范[7]要求。固結(jié)前、后邊梁梁頂最大正應(yīng)力均為0.4 MPa(拉應(yīng)力，梁端頭不考慮)，中梁梁頂最大正應(yīng)力均為1.0 MPa(拉應(yīng)力)。滿足預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件規(guī)范要求。固結(jié)前、后橋墩承載能力對(duì)比見表9。

表9 橋墩承載能力比對(duì)表

注：壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正。

由表9可知，固結(jié)前、后橋墩承載能力均滿足規(guī)范要求，且安全儲(chǔ)備較大，鋼筋應(yīng)力均為壓應(yīng)力，說明不會(huì)出現(xiàn)裂縫。此外，固結(jié)前后內(nèi)力相差較小，均在10%范圍內(nèi)。

結(jié)合第6聯(lián)驗(yàn)證分析結(jié)果，固結(jié)前、后橋梁內(nèi)力差別較小，主梁在2%范圍內(nèi)，橋墩在10%范圍內(nèi)，且橋墩有一定的安全儲(chǔ)備。

2 原因分析及加固處治

2.1 伸縮縫

溫度、混凝土收縮、徐變、汽車動(dòng)活載等荷載作用，均會(huì)對(duì)箱梁產(chǎn)生伸縮或位移變形。造成該橋伸縮縫破壞的原因如下：

(1) 設(shè)計(jì)存在缺陷，未能充分考慮結(jié)構(gòu)在各個(gè)工況下的伸縮變化，選用的伸縮裝置規(guī)格不盡合理。

(2) 伸縮裝置未能根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際溫度設(shè)置合理的安裝寬度，導(dǎo)致在溫度變化時(shí)，造成伸縮縫開口量過大或閉口量減小，情況嚴(yán)重的地方會(huì)造成伸縮縫橡膠條卡死，型鋼抵死。

(3) 施工未處理好新、舊混凝土粘合界面，在車輛反復(fù)沖擊作用下，伸縮縫保護(hù)帶混凝土出現(xiàn)剝離、破損。

建議對(duì)橋臺(tái)處伸縮縫間距小于2 cm的更換為GQFF-80型伸縮裝置，橋墩處伸縮縫間距小于等于2 cm的更換為SCF-120型伸縮裝置。

2.2 伸縮縫處梁體間距

橋梁伸縮縫處梁體間距原設(shè)計(jì)均為6 cm，采用SSFB-80淺埋式伸縮縫裝置，梁端間距設(shè)置符合原設(shè)計(jì)規(guī)范要求，滿足橋梁因溫度、車行活載制動(dòng)、混凝土收縮、徐變等因素引起的梁體伸長或縮短的變形。但實(shí)際現(xiàn)澆施工過程中，可能存在立模尺寸不準(zhǔn)確，模板固定不到位，模板偏移、脹模鼓肚、漏漿等施工病害，使成橋后的梁體間實(shí)際間距不滿足原設(shè)計(jì)寬度要求。

對(duì)梁端間距≤2.5 cm的，須進(jìn)行繩鋸切割擴(kuò)縫處理，伸縮縫兩側(cè)梁端各切割梁體4.0 cm，在切割后的斷面上須涂刷一層滲透性阻銹劑和環(huán)氧膠液，起到加強(qiáng)混凝土保護(hù)層的作用，并再次對(duì)梁端間距縫隙進(jìn)行清理。在切割梁端混凝土?xí)r，要求對(duì)該處伸縮裝置處的護(hù)欄切割并留夠足夠的伸縮空間，其間可用瀝青麻絮(軟木、橡膠等材料)進(jìn)行填充。

2.3 支 座

施工誤差和未設(shè)置臨時(shí)約束或臨時(shí)約束不到位等因素是造成支座滑移超限的主要原因，同時(shí)臨時(shí)焊接鋼筋未及時(shí)解除，導(dǎo)致橋梁體系結(jié)構(gòu)有所改變，造成橋梁無法自由伸縮變形，支座滑移存在不規(guī)律性。

解除全橋支座上、下鋼板臨時(shí)焊接鋼筋。

3 結(jié) 論

(1) 針對(duì)山區(qū)高速公路，在設(shè)計(jì)階段需多方位思考，需考慮施工時(shí)存在的誤差，特別是針對(duì)極端天氣頻發(fā)地區(qū)的橋梁，必要時(shí)需要進(jìn)行空間分析。

(2) 通過對(duì)將固定支座改為墩梁固接后結(jié)構(gòu)的受力分析結(jié)果表明，該方法對(duì)為徹底解決梁體存在縱向滑移意義不大。

(3) 施工的不規(guī)范是導(dǎo)致該橋梁體滑移的主要原因，后期橋梁建設(shè)過程中需要加大對(duì)施工質(zhì)量的監(jiān)管。

(4) 橋梁運(yùn)營養(yǎng)護(hù)過程中應(yīng)該建立伸縮縫寬度變化信息，在最高溫和最低溫時(shí)對(duì)伸縮縫寬度變化進(jìn)行測量，以便掌握橋梁的位移情況。

[1] 中華人民共和國交通部.公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范：JTG H11-2004[S].北京：人民交通出版社,2004．

[2] 邵旭東,程翔云,李立峰,等.橋梁設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：人民交通出版社,2007．

[3] 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.公路橋梁伸縮裝置:JT/T 327-2004[S].北京：人民交通出版社,2004．

[4] 交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范：JTJ 023-85[S].北京：人民交通出版社,1985．

[5] 中華人民共和國交通部工程管理司.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范：JTJ 021-89[S].北京：人民交通出版社,1989．

[6] 中華人民共和國交通部.公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JTG B01-2003[S].北京：人民交通出版社,2003．

[7] 中華人民共和國交通部.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范：JTG D60-2004[S].北京：人民交通出版社,2004．

[8] 中華人民共和國交通部.公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D62-2004[S].北京：人民交通出版社,2004．

[9] 邵榮光，夏 淦．混凝土彎梁橋[M]．北京：人民交通出版社，1994．

[10] 范立礎(chǔ).橋梁工程(上冊(cè))[M]．北京：人民交通出版社，2003．

[12] 北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.Midas Civil 2010分析設(shè)計(jì)原理[M]．北京：北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.

[13] 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.公路橋梁盆式支座：JT/T 391-2009[S].北京：人民交通出版社,2009．

[14] 唐先習(xí)，周勇超，尹月酉.基于不同橫斷面形式的橋梁墩臺(tái)受力性能數(shù)值分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2015,13(4):12-17．

[15] 陳 敦，陳 彪.豎向地震作用下柱板式高墩橋梁P-Δ效應(yīng)分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2014,12(2):76-79．

Longitudinal Slip Analysis of One-way Longitudinal Box Girder Bridge in Mountainous Highway

SHAN Jiming1, CAI Sa2, WU Jing1

(1.BeijingConstructionEngineeringQualityThirdTestInstituteCO.,Ltd.,Beijing100037,China;2.ShenzhenExpresswayDetectionCo.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong518000,China)

With the economic growth of our country more and more highways have come into service. For some mountain highways, due to the constraints of terrain conditions such as large longitudinal slope, complex layout and regional microclimate impacts. In recent years the bridges in mountainous areas of our country have appeared problems such as the slip of the beam, the expansion joints malfunction and the uplift of the bridge deck. Based on a bridge in a highway interchange line leading to the bridge expansion joint extrusion malfunction, combined with the construction quality, this problem was analyzed, and the problems are proposed according to the recommendations of the maintenance treatment. It is instructive for the design, construction and maintenance of interchange bridge in mountainous expressway.

mountainous expressway; girder slippage; expansion Joint; fight desperately

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.034

2016-12-09

2016-12-30

單積明(1988—)，男(藏族)，甘肅張掖人，工程師，主要從事橋梁檢測與加固設(shè)計(jì)工作。E-mail：coolsxim@yeah.net

U448.21+3

A

1672—1144(2017)02—0176—07