山區(qū)鋼筋混凝土曲線梁橋典型病害分析

李 毅 海大鵬 張 健 況月超 王小強(qiáng)

（中國(guó)建筑第七工程局有限公司，河南鄭州 450000）

曲線梁橋的空間布置能靈活適應(yīng)蜿蜒崎嶇的山區(qū)公路線型，不因山區(qū)地形復(fù)雜而被限制，在必要地段采用曲線梁橋，可減小展線長(zhǎng)度，獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。特別是上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土板的曲線梁橋，以其截面形式簡(jiǎn)單、建筑高度低、施工方便、用材經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于跨度較小、彎度較大的山區(qū)公路。曲線橋梁在運(yùn)行過程中，上、下部構(gòu)件不斷出現(xiàn)各類不同程度的病害。我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，重載車輛不斷增多，山區(qū)晝夜的大溫差使混凝土產(chǎn)生較大收縮變形。橋址地區(qū)偏遠(yuǎn)、交通不便，無法及時(shí)有效對(duì)橋梁進(jìn)行管養(yǎng)，間接導(dǎo)致了病害的不斷加重。橋梁設(shè)計(jì)者在最初設(shè)計(jì)階段考慮的重點(diǎn)是強(qiáng)度，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)對(duì)耐久性的考慮相對(duì)較弱，多是提出加強(qiáng)結(jié)構(gòu)施工過程中的質(zhì)量控制和保證以及例行檢查與后期維修等建議。橋梁使用過程中的性能表現(xiàn)是橋梁生命周期中最重要的，在荷載和環(huán)境因素的共同作用下，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的橋梁使用壽命依然較短，對(duì)橋梁的運(yùn)營(yíng)安全造成隱患，影響橋梁自身結(jié)構(gòu)的安全[1]。應(yīng)結(jié)合彎曲梁橋力學(xué)特征及橋址特點(diǎn)，對(duì)既有山區(qū)曲線橋梁的病害進(jìn)行深入分析，為此類橋梁耐久性設(shè)計(jì)和病害事故預(yù)防措施提供參考。

1 工程概況

該橋位于某山區(qū)二級(jí)公路線上，橋梁全長(zhǎng)213.3 m，橋?qū)?1.5 m，跨徑13×16.0 m，修建于2009年。橋梁上部主要承重結(jié)構(gòu)為4聯(lián)現(xiàn)澆連續(xù)鋼筋混凝土板。全橋支座采用板式橡膠支座，每個(gè)橋墩或橋臺(tái)上均勻布置7個(gè)，全橋共計(jì)98個(gè)支座。全橋墩臺(tái)均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋臺(tái)為重力式結(jié)構(gòu)，橋墩為雙樁式橋墩。橋梁平面位于一段小半徑圓曲線和一段長(zhǎng)緩和曲線上，縱斷面位于凸形曲線上。

2 橋梁典型病害分析

2015年經(jīng)有關(guān)部門檢測(cè)后對(duì)梁板底部大量橫向裂縫進(jìn)行了封閉處理，將橋面兩側(cè)鋼筋混凝土格柵式護(hù)欄更換為鋼格柵式護(hù)欄。橋梁各部位再次出現(xiàn)的病害，對(duì)橋梁上、下部構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)，巫山側(cè)為編號(hào)起始端，如圖1所示。

圖1 橋梁構(gòu)件編號(hào)

2.1 上部結(jié)構(gòu)典型病害

全橋梁板兩側(cè)腹板表層局部存在細(xì)小網(wǎng)狀裂縫。梁體除了位于圓曲線與緩和曲線相交處的一段近似直線的第8、9兩跨外，其余各跨均存在明顯向曲線梁外弧側(cè)“橫向爬移”的現(xiàn)象，且梁板與擋塊完全抵死。20個(gè)支座橡膠板輕微外鼓，37個(gè)支座橡膠板有明顯的剪切變形，曲線外側(cè)支座占96%。

2.2 下部結(jié)構(gòu)典型病害

9#、10#、11#蓋梁位于小曲線段，左側(cè)（以巫山至巫溪為行進(jìn)方向）即外弧線側(cè)擋塊局部破損，且均存在1條延伸至蓋梁的豎向裂縫，最大縫寬2.5 mm，如圖2所示。

圖2 橋墩蓋梁擋塊局部破損、豎向開裂

第1跨橋位處地面存在大量泥土、雜物堆積，墩柱周圍邊坡覆土松散，存在側(cè)土壓力不均現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 第1跨橋位處地面現(xiàn)狀

2.3 橋面系典型病害

裂縫分布如圖4所示。

圖4 橋面鋪裝病害分布（單位：m）

橋面表層水泥混凝土鋪裝破損，局部形成坑槽，面積約0.08 m2，橋面共有5條縱向裂縫，總長(zhǎng)達(dá)60.6 m，最大縫寬為2 mm。全橋5道伸縮縫均被沉積物嚴(yán)重堵塞，個(gè)別伸縮縫兩側(cè)保護(hù)帶混凝土局部開裂。

3 曲線梁橋力學(xué)特征

曲線梁橋是一類全橋或部分橋位于圓曲線或緩和曲線上的橋梁，與直橋相比，彎曲梁體在曲率影響下力學(xué)特性更復(fù)雜。彎曲梁體的重心偏向外弧線側(cè)，車輛從橋上通過時(shí)，存在偏心距的主梁截面在豎向荷載的作用下同時(shí)產(chǎn)生彎矩和扭矩，使梁體既在彎矩影響下產(chǎn)生豎向撓曲變形又在扭矩影響下產(chǎn)生沿徑向指向外弧線側(cè)的扭轉(zhuǎn)變形。彎道處的支座反力受到曲率影響外弧線側(cè)增大，內(nèi)弧線側(cè)減小，反力差促進(jìn)了梁體扭矩的產(chǎn)生，使截面處于“彎-扭”耦合作用狀態(tài)，此時(shí)主梁截面內(nèi)弧側(cè)主拉應(yīng)力比相應(yīng)的直梁橋大，內(nèi)梁可能產(chǎn)生負(fù)彎矩，支座可能出現(xiàn)受拉或脫空現(xiàn)象，靜荷載值與曲率半徑的大小呈正相關(guān)，曲率半徑越小負(fù)反力越容易產(chǎn)生[2]。

曲線橋梁下部結(jié)構(gòu)受力情況同樣非常復(fù)雜，彎道處每個(gè)墩柱受到垂直方向的力可能各不相同，特別是上部梁體產(chǎn)生較大扭矩時(shí)，靠?jī)?nèi)弧側(cè)墩柱可能受拉。墩頂不僅承受汽車制動(dòng)力、溫度力、地震力等帶來的水平力，還因?yàn)閺澚呵实拇嬖?，承受離心力和預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)產(chǎn)生的徑向力[3]。

4 病害成因分析

4.1 上部結(jié)構(gòu)病害成因分析

梁體“橫向爬移”的主要原因是設(shè)計(jì)階段沒有充分結(jié)合曲線橋梁的特性合理設(shè)置梁端橫向約束，運(yùn)營(yíng)過程中受梁體自身恒載效應(yīng)、混凝土收縮徐變和溫度作用以及受行駛車輛影響等多種因素的影響發(fā)生偏移。

梁體自身恒載效應(yīng)的影響，恒載作用下梁端內(nèi)外弧側(cè)支座反力分配不均勻，梁體內(nèi)弧和外弧底部的支反力值之差隨曲率半徑的減小而增大，且內(nèi)弧側(cè)支座的豎向支反力變化的幅度逐漸增大。在不同的曲率半徑下，曲率半徑越小，梁體沿徑向向外弧側(cè)扭轉(zhuǎn)的程度越明顯，邊跨最明顯。

混凝土收縮徐變和溫度作用的影響，曲線梁在溫度作用下產(chǎn)生弧段膨脹性位移，即圓心角不變，弧段的半徑向外側(cè)增大[4]?；炷潦菬岬牟涣紝?dǎo)體，不隨著溫度的上升或下降而膨脹或收縮，相應(yīng)的混凝土構(gòu)件必定在升溫或降溫時(shí)產(chǎn)生伸長(zhǎng)或縮短現(xiàn)象。溫度升高后，梁體因混凝土膨脹而向外偏移，溫度降低后，梁體卻無法快速恢復(fù)到原位，在循環(huán)溫差反復(fù)作用下，長(zhǎng)此以往偏移不斷增大。

行駛車輛對(duì)曲線橋梁上部結(jié)構(gòu)病害的影響，車輛行駛在曲線段，特別是小半徑圓曲線上時(shí)，梁體將受到車輛自身重力、離心力和制動(dòng)力等作用力。在這些移動(dòng)荷載或沖擊荷載的反復(fù)作用影響下，梁體的橫向變形無法完全、及時(shí)地恢復(fù)，隨著時(shí)間的推移，變形逐漸被積累，導(dǎo)致曲線段梁體產(chǎn)生明顯的“橫向爬移”，梁板開裂，梁下支座剪切破壞。內(nèi)外兩側(cè)梁下支座的反力有時(shí)相差較大，汽車荷載偏置時(shí)，偏心的豎向荷載過大，導(dǎo)致外弧側(cè)支座壓縮變形，內(nèi)弧側(cè)梁體可能產(chǎn)生負(fù)反力，導(dǎo)致支座出現(xiàn)與梁體脫空的現(xiàn)象。

4.2 下部結(jié)構(gòu)病害成因分析

設(shè)計(jì)規(guī)范沒有明確給出墩頂局部受力發(fā)生變形和裂縫的限值，墩柱混凝土開裂問題尚未成為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，且多數(shù)設(shè)計(jì)單位采用標(biāo)準(zhǔn)圖，配筋數(shù)量不能滿足實(shí)際要求而開裂。

對(duì)于混凝土曲線連續(xù)梁橋，同一墩柱內(nèi)外側(cè)支座反力有較大差距，各墩柱也會(huì)承受較大差異的豎向作用力。橋梁下部結(jié)構(gòu)的水平力作用中，除了車輛制動(dòng)力作用、溫度變化引起的內(nèi)力作用、地震力外，還額外受到汽車離心力以及預(yù)應(yīng)力作用在側(cè)向產(chǎn)生的水平力。在荷載長(zhǎng)期反復(fù)作用下混凝土的徐變將導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能下降，混凝土材料的低周疲勞條件下抗拉強(qiáng)度的降低，裂縫容易出現(xiàn)和發(fā)展[5]。由于彎扭作用，彎梁產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，主梁外側(cè)豎向撓度大于內(nèi)側(cè)，梁體在端部截面上可能會(huì)出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象。9#墩位于小半徑圓曲線段，在溫度應(yīng)力、車輛離心力及車輛偏載等作用下，上部結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)向曲線外側(cè)“爬移”現(xiàn)象，梁板在橫向位移與擋塊抵死現(xiàn)象出現(xiàn)后，梁板“爬移”仍繼續(xù)緩慢發(fā)展擠壓擋塊致使擋塊開裂。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該橋左側(cè)經(jīng)常有重載車輛通過，且全橋伸縮縫均不同程度堵塞，考慮蓋梁裂縫可能是車輛荷載作用以及伸縮縫不正常伸縮引起。梁板在不均勻荷載作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中使梁體變形，伸縮縫堵塞導(dǎo)致變形受到限制，此時(shí)蓋梁承受瞬時(shí)荷載超過抗拉強(qiáng)度而開裂。

該橋跨越溝壑，橋位處河床未設(shè)鋪砌，第1跨橋位處存在大量雜物堆積，本橋橋位處右側(cè)存在1處滑坡體，2018年檢測(cè)后對(duì)本橋周圍滑坡體底部采用擋土墻進(jìn)行了加固整治，本次檢測(cè)時(shí)無相關(guān)的異?，F(xiàn)象，無進(jìn)一步滑塌的跡象，但墩柱的位置邊坡覆土比較松散，還存在側(cè)土壓力不均的現(xiàn)象，導(dǎo)致橋墩產(chǎn)生較大的側(cè)向變形，產(chǎn)生裂縫，情況嚴(yán)重甚至可能發(fā)生橋墩傾倒。

4.3 橋面系病害成因分析

橋面鋪裝層出現(xiàn)裂縫、破損的原因可能是施工過程中環(huán)境變化不均，在超載車輛的活載作用下，橋面板的撓度有所增大，特別是豎向變形增加。超載超過一定范圍時(shí)，橋面鋪裝混合料在橋面板撓度的影響下變形較大，超載現(xiàn)象反復(fù)出現(xiàn)導(dǎo)致面層破損。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)典型山區(qū)曲線梁橋的病害調(diào)查及病害成因分析，發(fā)現(xiàn)山區(qū)曲線梁橋由于運(yùn)營(yíng)條件復(fù)雜、管養(yǎng)力度較弱，極易產(chǎn)生梁體側(cè)向移動(dòng)、支座破壞等病害，必須加強(qiáng)對(duì)其用階段耐久性重視程度，從設(shè)計(jì)最初階段就充分結(jié)合線路實(shí)際情況模擬使用階段各類荷載對(duì)橋梁耐久性的影響，制定合理應(yīng)對(duì)措施。施工和后期運(yùn)營(yíng)方面均應(yīng)提前制定合理的質(zhì)量安全管理規(guī)劃和實(shí)施方案，從根本上保證山區(qū)曲線梁橋生命期內(nèi)的工作質(zhì)量。