曲線梁橋橫向偏位機(jī)理及糾偏研究

林南昌 （溫州市鐵路與軌道交通投資集團(tuán)有限公司建設(shè)分公司，浙江 溫州 325000）

0 前言

近年來，為了滿足在復(fù)雜地形地物環(huán)境下交通暢通以及對各個方向?qū)嵭薪煌ㄟB接，高架曲線梁橋得以廣泛應(yīng)用[1]。我國早期修建的曲線梁橋由于施工條件、施工工藝等原因在運(yùn)營一段時(shí)間后梁體常會出現(xiàn)橫向和徑向位移，其中由結(jié)構(gòu)因素和外部因素引起的梁體橫向位移尤為顯著，也稱之為橫向爬移。曲線橋梁由于受荷載影響和設(shè)計(jì)不合理等因素引起的梁體橫向爬移對橋梁的運(yùn)營安全產(chǎn)生了巨大的影響[2]。因此，為保障交通運(yùn)輸安全，應(yīng)該盡快從設(shè)計(jì)上解決曲線梁橋的橫向偏位問題以及對已經(jīng)出現(xiàn)橫向偏位的橋梁及時(shí)進(jìn)行糾偏。

1 曲線梁橋的受力特性

1.1 彎-扭耦合

由于曲線梁橋的整體重心偏向弧線外側(cè)，所以梁體存在偏心距。梁體在承受豎向彎曲的同時(shí)，由于受曲率的影響也會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，而這種扭轉(zhuǎn)又將導(dǎo)致梁體的撓曲變形，這種彎曲和扭轉(zhuǎn)的相互作用稱為“彎扭耦合”作用[3]。圖1是曲線梁橋扭矩機(jī)理圖。

1.2 曲線梁橋受力的空間性

在同樣荷載下，同等跨徑的曲線梁橋比直線橋的豎向撓度要大，且曲線梁橋的外邊緣撓度要比內(nèi)邊緣大；曲線梁橋外側(cè)主梁的內(nèi)力比內(nèi)側(cè)主梁要大，內(nèi)外側(cè)主梁存在應(yīng)力差[4]；為防止橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，保持全橋穩(wěn)定，與直線橋相比，曲線梁橋的橫梁剛度較大；曲線梁橋的支反力有外側(cè)增大，內(nèi)側(cè)減小的趨勢，內(nèi)側(cè)在特殊情況下支反力可能是負(fù)值；曲線梁橋?yàn)榉乐挂驑蛄航Y(jié)構(gòu)徑向和橫向位移而導(dǎo)致橋墩內(nèi)力增大或開裂，曲線梁橋的橋墩常設(shè)置柔性墩。

圖1 曲線梁橋扭矩機(jī)理圖

2 曲線梁橋偏位成因分析

2.1 結(jié)構(gòu)因素

曲線橋梁的偏位是橋梁結(jié)構(gòu)自身和外界因素共同作用的結(jié)果[5]，其結(jié)構(gòu)因素如下。

2.1.1 梁體自重

對比截面形式相同的直線橋和曲線橋，后者的恒載中心曲線偏向外側(cè)，導(dǎo)致梁體有向外側(cè)扭轉(zhuǎn)的趨勢，梁體外側(cè)的支座反力和撓曲變形比內(nèi)側(cè)要大。在汽車荷載、地震等活載作用下極容易發(fā)生梁體偏位。

2.1.2 曲率半徑

曲率半徑的存在是使曲線梁橋產(chǎn)生偏位的主要原因。曲線梁橋在荷載作用下會產(chǎn)生彎扭耦合作用，且曲率半徑大小與橋梁彎扭耦合作用成反比例關(guān)系，彎扭耦合作用越明顯，橋梁偏位越大。

2.1.3 支撐與支座形式

因曲線梁橋的重心較中心線會向外側(cè)偏移，因此曲線梁橋的支座通常會設(shè)置一定的偏心，而支座偏心對曲線梁橋的橫向位移有較大的影響，尤其是固定支座的擺放位置對橋梁的整體位移影響十分顯著[5]。

2.2 外部因素

2.2.1 溫度

對于曲線梁橋，在各種荷載工況組合下產(chǎn)生的彎扭耦合都會使梁體產(chǎn)生橫向位移，這其中由溫度變化引起的梁體橫向位移最為顯著。梁體在伸縮縫破壞的情況下，溫度變化會使橋梁的橫向位移急劇增大[6]。溫度作用下的梁體橫向偏位機(jī)理如圖2所示。

圖2 梁體橫向偏位示意圖

2.2.2 車輛荷載

由于曲線梁橋特殊的線性構(gòu)造，橋梁在運(yùn)營時(shí)不僅會受到車輛重力、沖擊力、制動力的影響，還會受到汽車徑向的離心力的影響。徑向離心力會使得梁體橫向偏位，當(dāng)梁體橫向偏位之后，受支座摩擦力的影響，在汽車荷載消失后，梁體會產(chǎn)生殘余位移。車輛荷載作用下的梁體橫向偏位機(jī)理如圖3所示。

圖3 車輛荷載作用下的梁體橫向偏位示意圖

除上述因素外，還存在設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周、施工質(zhì)量有欠缺及養(yǎng)護(hù)管理不完善等因素以及偶然的地震作用也會導(dǎo)致曲線梁橋產(chǎn)生不可恢復(fù)的橫向偏位。

3 曲線梁橋橫向偏位對橋梁結(jié)構(gòu)影響

曲線梁橋相比直線梁橋具有明顯的空間受力特性，在荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)“彎扭耦合”現(xiàn)象[7]。這種特殊的受力特性和變形特性使得橋梁容易出現(xiàn)下列幾種病害。

①支座脫空：曲線梁橋在荷載作用下會出現(xiàn)扭矩，若梁體扭矩過大會導(dǎo)致橋梁內(nèi)側(cè)支反力出現(xiàn)負(fù)值，從而導(dǎo)致梁體支座的脫空。支座脫空后梁體受到的約束會急劇減小，這將導(dǎo)致梁體的橫向偏位進(jìn)一步加大。

②主梁側(cè)翻：曲線梁橋在車輛荷載、溫度荷載、支撐方式以及混凝土收縮徐變等影響下，梁體產(chǎn)生橫向位移，從而造成梁體存在不利于結(jié)構(gòu)的向外偏心。在偏心作用下，恒載導(dǎo)致的梁體向外翻轉(zhuǎn)的扭矩變大，最終產(chǎn)生主梁梁體側(cè)翻[8]。

③下部結(jié)構(gòu)破壞：梁體在偏位的時(shí)候同時(shí)帶動支座一起產(chǎn)生滑移，在汽車荷載的反復(fù)沖擊下，蓋梁、墩柱將出現(xiàn)疲勞破壞而產(chǎn)生裂縫，破壞機(jī)理如圖4所示。

圖4 沖擊荷對墩柱影響示意圖

④伸縮縫發(fā)生破壞：發(fā)生橫向偏位的梁體可能只是部分主梁，發(fā)生橫向偏位的梁體與沒有偏位的梁體存在相對移動，導(dǎo)致伸縮縫發(fā)生破壞。

4 曲線梁橋糾偏措施

曲線梁橋發(fā)生病害的主要原因在于兩個方面：一是設(shè)計(jì)理論上曲線連續(xù)梁橋?qū)嵱糜?jì)算方法目前還不夠全面、不夠統(tǒng)一，以及對曲線連續(xù)梁橋的受力特性及支撐約束條件的認(rèn)識還存在不足；二是施工方法局限性以及對預(yù)應(yīng)力張拉操作過程控制不嚴(yán)。故為盡量避免出現(xiàn)曲線梁橋出現(xiàn)偏位，對于新建橋梁應(yīng)從設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化；對于已經(jīng)出現(xiàn)橫向偏位的橋梁，應(yīng)采取糾偏措施進(jìn)行復(fù)位。

4.1 設(shè)置側(cè)向限位裝置

4.1.1 支座外移

為了減小因荷載作用導(dǎo)致的曲線梁橋的橫向偏位，對于雙支座曲線梁橋來講，可以通過將橋梁外側(cè)支座向外移動，內(nèi)側(cè)支座向內(nèi)移動的方式增大兩個支座間的間距；對于單支座曲線梁橋可以將支座向外側(cè)移動來抵消橋梁中跨部分橫向扭矩。

4.1.2 設(shè)置彈性側(cè)向支撐

曲線梁橋的彈性側(cè)向支撐一般設(shè)置在梁端梁體與擋塊之間，彈性支撐的設(shè)置增大了橋梁墩臺的柔性，有效的協(xié)調(diào)了橋梁縱向各墩臺間的剛度，減小了梁端支座的支反力，進(jìn)而減小了曲線梁橋的橫向位移[9]。

4.2 梁體頂升平移

梁體復(fù)位常用頂升和頂推復(fù)位相結(jié)合的方法，首先利用同步頂升系統(tǒng)對梁體豎向頂升，解除梁底支座約束，并將梁體置于臨時(shí)墩上，然后利用頂推系統(tǒng)對梁體進(jìn)行橫向復(fù)位頂推，更換支座后再將梁體精準(zhǔn)降落至初始位置。目前常用PLC液壓同步頂升系統(tǒng)[10]，該系統(tǒng)可通過力和位移綜合控制來保證頂推精確就位。具體操作可分為以下四個步驟。

4.2.1 頂升梁體

首先在需要頂升的位置處搭設(shè)支撐系統(tǒng)，可利用橋梁自身的蓋梁、墩頂或者在橋墩上安裝鋼抱箍作為支撐系統(tǒng)，然后在支撐系統(tǒng)上設(shè)置作業(yè)平臺，再在作業(yè)平臺上布置頂升系統(tǒng)。整個支撐系統(tǒng)和作業(yè)平臺都應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)密的整體穩(wěn)定性和局部應(yīng)力計(jì)算，避免在頂升過程中平臺出現(xiàn)傾覆和局部破壞。

然后采用PLC液壓同步頂升系統(tǒng)將整個梁體垂直頂起后放置在臨時(shí)支墩上。在頂升過程中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控梁體被頂部分的壓力和位移變化，動態(tài)調(diào)整各個頂點(diǎn)的壓力，使得梁體實(shí)現(xiàn)同步頂升的同時(shí)各頂點(diǎn)的負(fù)載均衡，保證頂升過程中的安全。

4.2.2 梁體頂推平移/復(fù)位

橫向頂推復(fù)位之前應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算橫向和豎向頂推力，在曲線內(nèi)側(cè)應(yīng)設(shè)置水平千斤頂作為橫向限位裝置，通過在臨時(shí)墩頂設(shè)置橫向滑道實(shí)現(xiàn)梁體復(fù)位。頂推復(fù)位過程中應(yīng)做好實(shí)時(shí)監(jiān)控工作，當(dāng)監(jiān)測到的各項(xiàng)指標(biāo)與理論值相差過大時(shí)應(yīng)及時(shí)停止并檢查原因，排除后方可繼續(xù)頂推[5]。同時(shí)，整個頂推過程應(yīng)遵循邊頂推邊復(fù)核的原則，避免出現(xiàn)頂推過量或頂推不到位的情況。

4.2.3 更換支座

當(dāng)解除梁底支座約束，并將梁體置于臨時(shí)墩上之后，檢查原有支座是否損壞，對剪切變形超限或者老化等出現(xiàn)損壞的支座進(jìn)行更換，保證支座型號和擺放位置符合設(shè)計(jì)要求。

4.2.4 落梁

橫向頂推復(fù)位后，采用豎向千斤頂將梁體支撐起來，拆除橫向滑道，然后將梁體精準(zhǔn)落至永久墩上，再拆除臨時(shí)輔助墩、支撐架等臨時(shí)施工設(shè)施。臨時(shí)限位設(shè)施也可不拆除，留在墩上作為永久防偏設(shè)施。

4.3 加固獨(dú)柱固結(jié)墩

通過在原固結(jié)墩兩側(cè)增設(shè)接柱而形成多柱支撐來抵消主梁產(chǎn)生的扭矩[11]。一般對于一聯(lián)只有一個固結(jié)墩的曲線梁橋，在對橋梁進(jìn)行加固時(shí)要對該固結(jié)墩進(jìn)行加大加強(qiáng)處理。

5 結(jié)論

①曲線梁橋由于其特殊的空間受力特性，在溫度荷載和汽車荷載下會產(chǎn)生橫向偏位，進(jìn)而導(dǎo)致曲線梁橋出現(xiàn)支座局部脫空、主梁側(cè)翻、橋梁下部結(jié)構(gòu)以及伸縮縫破壞等一系列病害，這將給橋梁的正常運(yùn)營造成極大的影響。

②通過增大梁體整體抗扭剛度、增設(shè)彈性限位裝置以及設(shè)置合理的支承體系等這幾方面對曲線梁橋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以減小梁體橫向偏位。

③可采用加固獨(dú)柱固結(jié)墩方式減小曲線梁橋產(chǎn)生的扭矩，有效地控制梁體的橫向偏位；對于已經(jīng)出現(xiàn)橫向偏位的曲線梁橋，可采用PLC液壓同步頂升系統(tǒng)將梁體頂升復(fù)位。國內(nèi)多個工程實(shí)踐證明，該技術(shù)具有顯著的工程應(yīng)用價(jià)值。