連續(xù)彎梁橋橫向位移處治方法研究

高巖淵　虞建成　李后川

摘 要：文章針對(duì)多跨連續(xù)彎梁橋橫向位移這一普遍問題存在的成因及影響進(jìn)行了分析，并提出了改造中間橋墩為墩梁固結(jié)和增設(shè)梁端側(cè)向支撐的方法來(lái)解決橫向位移的現(xiàn)象。文章對(duì)該方法進(jìn)行了可行性和優(yōu)缺點(diǎn)的分析探討，并通過理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證，表明該技術(shù)對(duì)多跨連續(xù)彎箱梁橋橫向位移處治能夠達(dá)到較好的效果，可供類似工程借鑒。

關(guān)鍵詞：連續(xù)彎箱梁橋；橫向位移；墩梁固結(jié)；彈性支撐

1 概述

在役橋梁存在許多多跨連續(xù)彎梁橋，在多年的橋梁養(yǎng)護(hù)檢查中，發(fā)現(xiàn)較多的連續(xù)彎箱梁橋在使用過程中存在橫向位移現(xiàn)象[3]，即梁體向橫橋向外弧側(cè)發(fā)生平面位移，本文針對(duì)多跨連續(xù)彎梁橋橫向位移這一普遍問題存在的成因及影響進(jìn)行總結(jié)分析，并對(duì)處治措施進(jìn)行了研究，提出了將中間橋墩改造為墩梁固結(jié)形式和增設(shè)梁端側(cè)向支撐的方法。

2 病害成因及影響分析

連續(xù)彎梁橋橫向位移病害并非個(gè)例，如深圳黃木崗立交橋A匝道橋[8]、廣州某高速公路跨越高水線的匝道橋、津?qū)毠放f城勝利大橋等橋梁均存在橫向位移病害，橫向位移量值多者可達(dá)幾十公分。橫向位移病害的產(chǎn)生絕非偶然，必定和該類橋梁的結(jié)構(gòu)類型或使用過程中的某種特定因素存在一定的關(guān)系，本文從彎梁橋構(gòu)造特點(diǎn)和外荷載作用情況進(jìn)行綜合分析。

與直線梁橋相比，由于平面曲率的影響，彎梁橋最大的受力特點(diǎn)是存在彎扭耦合作用。即在外荷載作用下，梁截面內(nèi)產(chǎn)生彎矩的同時(shí)必然伴隨著產(chǎn)生耦合的扭矩；同理，在產(chǎn)生扭矩的同時(shí)也伴隨著產(chǎn)生相應(yīng)的耦合彎矩[6]。梁截面處于彎扭耦合作用的狀態(tài)，其截面主拉應(yīng)力往往比相應(yīng)的直梁橋大得多。彎梁橋由于受到扭矩作用，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，其曲線外側(cè)的豎向撓度大于同等跨徑的直橋；且在梁端可能出現(xiàn)翹曲；當(dāng)梁端橫橋向約束較弱時(shí)，梁體有向外弧側(cè)“爬移”的趨勢(shì)[2]。

2.1 成因分析

恒載作用：由于平面曲率的存在，彎梁橋的外側(cè)弧長(zhǎng)度大于內(nèi)側(cè)，橫截面左右完全對(duì)稱時(shí)，它的恒載重心相對(duì)于梁的剪切中心是有偏心的。因此，即使橋面上為均布荷載，對(duì)彎梁橋的作用也可分解為一個(gè)作用于截面剪切中心線的豎向分力和向外弧側(cè)偏轉(zhuǎn)的扭矩。

活載作用：車輛行駛在彎梁橋上，梁體除必須考慮直梁橋中的豎向力和軸向力（制動(dòng)力）外，當(dāng)彎梁橋的曲率半徑等于或小于250m時(shí)，應(yīng)計(jì)算徑向力（離心力）的作用。對(duì)于豎向荷載，與恒載偏心相似，車輛的偏心行駛會(huì)使得梁體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。通常在全橋只設(shè)計(jì)一個(gè)固定支座，由于活載作用只是瞬間的，梁體在離心力作用下產(chǎn)生橫橋向位移后，如果支座摩阻力大于該活載工況下的離心力，則梁體的側(cè)向位移將不能全部恢復(fù)，梁體不會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的平面設(shè)計(jì)狀態(tài)，直到下次活載產(chǎn)生的水平力大于支座摩阻力時(shí)，梁體又會(huì)往外側(cè)偏移，這樣橫向位移將逐漸累積到一個(gè)相當(dāng)大的量值。

預(yù)應(yīng)力作用：預(yù)應(yīng)力鋼束的布束形式對(duì)彎箱梁橋的支座反力和扭轉(zhuǎn)變形影響很大。與直線梁不同，彎梁橋的鋼束存在雙向曲率，即既存在豎向彎曲也存在平面彎曲，因此預(yù)加力的作用不僅包括豎向分力，還包括平面徑向力。

溫度、收縮徐變作用：直橋在溫度變化時(shí)只產(chǎn)生軸向的伸縮變形，而彎梁橋發(fā)生弧段的縮短或者伸長(zhǎng)，由于外弧側(cè)軸向的長(zhǎng)度大于內(nèi)弧側(cè)的長(zhǎng)度，故在溫度作用下，不僅會(huì)引起軸向的位移還產(chǎn)生徑向位移。梁體溫度升高時(shí)，產(chǎn)生徑向位移，再降溫時(shí)梁體徑向位移又恢復(fù)，但在支座摩阻的作用下會(huì)存有殘余位移，在周而復(fù)始的變化的溫度作用情況下殘余位移發(fā)生累積，形成較大的橫向位移。

混凝土收縮將引起各支點(diǎn)處的徑向位移，故將引起橋梁線形的變化，使結(jié)構(gòu)半徑變小，因而徑向力應(yīng)會(huì)增大；混凝土徐變引起的僅是橋軸線的收縮，對(duì)結(jié)構(gòu)的線形沒有影響。

橋墩抗推剛度：彎梁橋橋墩的構(gòu)造直接影響到梁體的受力和變形。相同截面的橋墩，高度越大時(shí)，其抗推剛度越小，在橫向力的作用下，橋墩的橫向位移越大，而梁體支撐在橋墩頂?shù)呐枋街ё希绻麡蚨盏目雇苿偠群苄?，通過支座摩阻力或者支座側(cè)向限位構(gòu)造，也會(huì)加大彎箱梁橋橫向位移的增大。

綜合以上對(duì)連續(xù)彎梁橋在荷載作用下的效應(yīng)分析可知，恒載、活載、溫度、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變等的作用都可能會(huì)對(duì)彎梁橋產(chǎn)生扭矩或橫橋向水平力，當(dāng)其中一項(xiàng)或幾項(xiàng)的共同作用超過梁體的橫橋向抗力時(shí)，梁體就會(huì)向外弧側(cè)移動(dòng)，而在引起側(cè)移的這些因素消失后，由于支座摩擦力、梁體剛度變化等因素的影響，側(cè)向位移不能全部恢復(fù)，日積月累便會(huì)發(fā)生較大的橫橋向位移。

2.2 影響分析

連續(xù)彎梁橋在使用過程中可能會(huì)發(fā)生梁體側(cè)移并且部分位移是不可恢復(fù)的，側(cè)移發(fā)生后，不僅會(huì)影響橋梁的線形，導(dǎo)致梁體整體平面滑移，還可能會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力造成不利的影響，梁體支撐中心線偏離支座中心線，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致橋梁其它部件的破壞，如支座變形過大、剪切破壞；而在固定支座處，固定支座損壞或者橋墩立柱橫橋向傾斜以及混凝土開裂等。

3 處治方法研究

如果任由連續(xù)彎梁橋發(fā)生平面位移，通過以上分析將導(dǎo)致非常不利的后果，故考慮采取橫向限位的措施來(lái)消除橫向位移現(xiàn)象。但這樣由于橫向約束的影響勢(shì)必會(huì)使梁體產(chǎn)生一定的橫向受彎，必須進(jìn)行必要的驗(yàn)算分析；且在約束點(diǎn)處的墩柱承受較大的橫向水平力的作用。

如僅在中間墩和橋臺(tái)處通過支座橫向限位裝置或者限位擋塊限制箱梁橫橋向位移，則仍對(duì)中間橋墩下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常不利的影響。故擬在連續(xù)彎梁橋的中間橋墩處，將原構(gòu)造改造成墩梁固結(jié)形式，并采用實(shí)體薄壁墩構(gòu)造以加強(qiáng)橋墩的橫橋向抗推能力，同時(shí)在橋臺(tái)處增設(shè)側(cè)向彈性支撐的措施。這樣在中間橋墩處的相鄰跨主梁受力類似于連續(xù)剛構(gòu)形式，由于薄壁墩身參與局部主梁受力，對(duì)主梁承受活載是有利的。而溫度等對(duì)于主梁軸向變形和受力由于僅在中間橋墩設(shè)置了墩梁固結(jié)，影響卻有限。另一關(guān)鍵問題是中間橋墩的改造必須結(jié)合基礎(chǔ)的實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮。

3.1 改造橋梁概況

某多跨連續(xù)彎箱梁匝道橋跨越高速公路主線，平面位于R=200m的圓曲線及A=70m的緩和曲線上，縱斷面位于R=2000m的豎曲線上。橋梁全長(zhǎng)256.24m，跨徑布置為10×25m。橋面橫向設(shè)置單向4%超高橫坡，橋面全寬15.5m，橫向布置為0.5m（護(hù)欄）+6.75m（行車道）+1.0m（中央分隔帶）+6.75m（行車道）+0.5m（護(hù)欄）。鋪裝層為9cm厚瀝青混凝土鋪裝。設(shè)計(jì)荷載采用汽-超20、掛-120。

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用單向三室箱梁截面，中心高度為130cm；下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩、臺(tái)，橫橋向沿徑向設(shè)置，只在橋臺(tái)處設(shè)臺(tái)帽，其余墩均為分離的雙柱式墩身。墩柱采用圓形截面，柱徑1.2m。橋梁橫斷面布置如圖1所示。

橋臺(tái)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(tái)處采用D160型毛勒伸縮縫。墩、臺(tái)支座平面布置如圖2所示。

在橋梁養(yǎng)護(hù)檢查中發(fā)現(xiàn)，固定支座墩的兩根墩柱存在橫橋向傾斜病害，墩柱高度6.25m，墩頂橫橋向向外側(cè)偏移12cm，且該墩柱底部地表以上2m范圍內(nèi)存在數(shù)條環(huán)向裂縫，縫長(zhǎng)小于半圓周長(zhǎng)，裂縫間距約30cm左右，裂縫寬度約0.1mm。

3.2 改造措施

針對(duì)多跨連續(xù)彎梁橋橫向位移處治方法主要有主梁頂推復(fù)位、增加抗扭支撐、墩梁固結(jié)、增大墩柱抗推剛度、彈性側(cè)向支承等[4]。而對(duì)于本橋而言，聯(lián)長(zhǎng)較大，且僅在中墩和橋臺(tái)處通過支座、擋塊限制箱梁橫橋向位移，經(jīng)實(shí)際論證是不足的。考慮到由于上部結(jié)構(gòu)橫向位移已導(dǎo)致固定支座墩產(chǎn)生環(huán)向受力裂縫這一病害特點(diǎn)，從增加對(duì)上部結(jié)構(gòu)的橫向約束和提高下部結(jié)構(gòu)抗推剛度出發(fā)，經(jīng)綜合論證采用中間的5#墩處墩梁固結(jié)的方法并增設(shè)樁基承臺(tái)的綜合方法對(duì)彎梁橋進(jìn)行加固改造。

加固改造示意圖如圖3所示。

實(shí)體薄壁式墩身、墩梁固結(jié)：拆除原墩柱后，在承臺(tái)上澆筑實(shí)體墩身，墩身底部與承臺(tái)形成固結(jié)。在箱梁內(nèi)橫隔梁底面植入豎向鋼筋，與實(shí)體薄壁墩內(nèi)鋼筋相連接，形成墩、梁固結(jié)形式。5#墩為一聯(lián)的中間墩，當(dāng)墩、梁固結(jié)時(shí)，整體升、降溫不會(huì)引起墩身縱橋向受推效應(yīng)，也不會(huì)因支承方式的改變而對(duì)箱梁恒載內(nèi)力形成大的影響。

同時(shí)，為在兩側(cè)橋臺(tái)位置處實(shí)現(xiàn)更好的限位，將原擋塊尺寸加大，并在擋塊與箱梁側(cè)面之間安裝橡膠緩沖塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)梁體側(cè)向的彈性支撐和限位。

3.3 效果評(píng)價(jià)

在設(shè)置墩梁固結(jié)過程中，對(duì)其與原橋的雙圓柱式墩身的支撐形式進(jìn)行了分析對(duì)比，相對(duì)于柱式墩身、墩梁鉸接方式，實(shí)體薄壁墩身自身的縱橋向與橫橋向抗彎剛度更大，與承臺(tái)、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(tái)以及箱梁（中橫隔梁）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(duì)箱梁承受豎向荷載作用更有利。

采用midas-civil建立橋梁空間有限元模型對(duì)改造前后主梁彎矩內(nèi)力分布進(jìn)行計(jì)算分析，模型圖如圖4所示。

通過計(jì)算，加固前后5#墩兩側(cè)橋跨（第5、6跨）活載作用彎矩內(nèi)力包絡(luò)圖如圖5所示。

從圖5中可以看出，加固改造后第5、6跨跨中截面活載最大正彎矩由4642kN·m減小至4384kN·m，5#墩頂截面活載最大負(fù)彎矩由-4818kN·m減小至4348kN·m，對(duì)原橋梁結(jié)構(gòu)整體受力更有利了。

4 結(jié)束語(yǔ)

該橋改造施工結(jié)束后，對(duì)該橋進(jìn)行了兩個(gè)月一次的跟蹤觀測(cè)，觀測(cè)的重點(diǎn)為5#墩墩身使用情況觀測(cè)、基礎(chǔ)沉降觀測(cè)以及箱梁變位觀測(cè)、梁體裂縫觀測(cè)等。通過兩年來(lái)的觀測(cè)，5#墩墩身無(wú)外觀病害，改造后沉降很??；5#墩位置未發(fā)現(xiàn)橫向位移，橋臺(tái)位置處雖有較小橫向位移產(chǎn)生，但有較強(qiáng)勁擋塊和彈性支撐（橡膠緩沖塊）約束，