連續(xù)梁橋非連續(xù)墩偏移病害機(jī)理與防治

楊繼承， 李春軒， 魏家樂

（陜西通宇公路研究所有限公司，西安 710118）

0 引言

梁橋作為橋梁結(jié)構(gòu)四大基本橋型之一，因其結(jié)構(gòu)受力明確、施工簡單、經(jīng)濟(jì)性和耐久性好一直深受廣大橋梁建設(shè)者的青睞，目前梁橋已成為在役橋梁中數(shù)量最多、區(qū)域分布范圍最廣的橋型[1-3]。

近年來，陜西、遼寧、浙江、重慶、安徽等地多座高墩大縱坡梁橋建成數(shù)年后出現(xiàn)非連續(xù)墩墩頂異常偏位和支座滑移的現(xiàn)象，且存在相同的病害規(guī)律，國內(nèi)外諸多學(xué)者在該問題上展開了研究。田世清等[4]通過對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的盆式支座安裝缺陷和墩柱偏移病害的調(diào)查分析，揭示了連續(xù)梁橋交接墩嚴(yán)重偏移病害的原因。王景山等[5]以某高速公路大橋非連續(xù)墩墩柱傾斜為例，概述其病害成因，結(jié)合維修加固工程實(shí)踐，闡述采用多跨徑整體同步頂升梁體并利用上部結(jié)構(gòu)作為反力架對(duì)橋墩進(jìn)行糾偏的技術(shù)。曾勇等[6]結(jié)合實(shí)橋工程實(shí)例，開展了連續(xù)梁橋橋墩糾偏頂推受力研究。祝小龍等[7]從變形監(jiān)測(cè)、巖土勘察、三維仿真、橋梁檢測(cè)、結(jié)構(gòu)分析等五個(gè)方面對(duì)某高架橋的橋墩偏移進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[8]、[9]針對(duì)水中樁基病害導(dǎo)致墩柱傾斜，提出相應(yīng)的處治措施。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)這一現(xiàn)象做了大量的研究工作，取得了一定的成果，這些成果主要為病害原因的定性分析和糾偏的施工技術(shù)，文中結(jié)合前人的研究成果，以遼寧境內(nèi)某大橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過對(duì)病害成因機(jī)理和產(chǎn)生條件理論推導(dǎo)，將定性分析和定量比較相結(jié)合，進(jìn)一步總結(jié)病害產(chǎn)生的因素，針對(duì)性的提出病害處理方法和預(yù)防性對(duì)策，并用于指導(dǎo)實(shí)踐。

1 工程背景

遼寧境內(nèi)某高速公路大橋右幅全長286m，跨徑組合為（4×30+5×30）m，橋面凈寬10.5m，設(shè)計(jì)縱坡2.5%，橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路I級(jí)。上部結(jié)構(gòu)采用5片裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，梁間橫向間距2.4m，梁高2m，施工方法采用先簡支后連續(xù)。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用樁柱式橋墩，墩柱直徑1.6m，樁徑1.8m，墩柱高從17.1～28.2m不等，0#和9#橋臺(tái)采用重力式橋臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋型布置如圖1所示。橋2#、3#、5#、6#、7#墩為墩梁固結(jié)，4#墩為非連續(xù)墩，墩頂縱向設(shè)置兩排盆式橡膠支座。

圖1 橋型布置圖（單位：m）

橋2014年正式通車，根據(jù)交工驗(yàn)收資料，成橋時(shí)各非連續(xù)墩豎直度偏差均在10mm以內(nèi)。2018年定期檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)4#墩兩個(gè)墩柱均向上坡方向偏移，偏移值均在250mm左右，墩柱下坡側(cè)在地面上6m范圍內(nèi)出現(xiàn)多條環(huán)狀裂縫，寬度0.2～0.5mm，深度7～10cm，長度約1/2～3/4周長。回彈法實(shí)測(cè)墩柱混凝土強(qiáng)度大于40MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。4#墩墩頂支座上鋼板縱向相對(duì)支座中心線滑移235～270mm不等，并出現(xiàn)多條間距相等滑移痕跡線，支座頂鋼板外露出橋墩蓋梁頂邊緣，支座呈現(xiàn)局部受壓，開裂和嚴(yán)重變形，已經(jīng)完全失效。支座頂鋼板與梁底預(yù)埋鋼板均開焊。

2 病害成因分析

結(jié)合力學(xué)基本理論，文中對(duì)梁橋的關(guān)鍵受力部件梁底楔形塊受力狀態(tài)展開研究，分別考慮了楔形塊正常工作和非正常工作兩種受力模式，分析非連續(xù)墩墩頂偏移產(chǎn)生機(jī)理，并從理論上推導(dǎo)墩頂偏移的產(chǎn)生條件，以為實(shí)際工程服務(wù)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2.1 溫度交替作用楔形塊受力機(jī)理

正常使用的多跨大縱坡連續(xù)梁橋一般在梁底支座位置設(shè)置楔形塊將其調(diào)平，以保證溫度外荷載作用下支座受力均勻，梁體水平方向變形自由。如圖2所示，縱坡i%的橋梁（主梁與水平面夾角為θ1），梁底楔形塊底面完全水平，并與支座緊密接觸。設(shè)楔形塊所承受的梁體重力均為G，支座對(duì)楔形塊的支撐反力為N，滑動(dòng)支座摩擦力為F，溫度荷載水平作用力為T。

圖2 楔形塊正常受力狀態(tài)

以楔形塊為研究對(duì)象，按照靜力平衡條件得豎向力G=N，水平力T=F。

當(dāng)達(dá)到最大靜摩擦力時(shí)，支座與楔形塊之間產(chǎn)生滑動(dòng)后，水平力T減小，與靜摩擦力F達(dá)到新的平衡。橋梁正常運(yùn)行狀態(tài)下，楔形塊（梁端）隨著溫度荷載做水平可逆的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

實(shí)際橋梁中，由于施工誤差，楔形塊底面不能有效調(diào)平，梁體伸縮變形受支座約束不能自由滑動(dòng)。為討論方便，假設(shè)楔形塊底面與主梁縱坡夾角均為θ2，則溫度荷載作用下受力狀態(tài)見圖3。

圖3 楔形塊未調(diào)平受力狀態(tài)

在升溫荷載工況下，當(dāng)梁體與支座未發(fā)生滑移，A梁和B梁與支座的靜摩擦力分別為F1和F2，以A梁楔形塊和B梁楔形塊為研究對(duì)象，按照靜力平衡條件可得：

升溫初期，靜摩擦力、重力和溫度作用力三者形成自平衡狀態(tài)，隨著溫度荷載T繼續(xù)加大，A梁F1將首先達(dá)到首先達(dá)到F1max，楔形塊與支座滑移，T1和F1均減小，非連續(xù)墩所受的合力為F增大，方向往上坡方向，橋墩將往上坡方向偏移，T2和F2隨之減小，直到達(dá)到新的平衡。繼續(xù)升溫過程將重復(fù)上述過程，橋墩繼續(xù)向上坡方向產(chǎn)生偏移。

同理，采用上述方法分析降溫工況，按靜力平衡條件可得：

根據(jù)式（4）、式（5）可知，降溫狀態(tài)下B梁將首先達(dá)到F2max，楔形塊與支座滑移，T2和F2均減小，非連續(xù)墩所受合力指向A梁回縮方向，帶動(dòng)橋墩將往上坡方向偏移，T1和F1隨之減小，直到達(dá)到新的平衡。由此可見，不管是升溫還是降溫荷載工況，梁底楔形塊不平整都會(huì)導(dǎo)致非連續(xù)墩往上坡方向偏移。

橋梁建成后，結(jié)構(gòu)溫度隨冬夏季節(jié)溫差交替作用，非連續(xù)墩的位移量與支座的相對(duì)滑移量不斷累加，且不可自行恢復(fù)，承受豎直軸向荷載的受壓構(gòu)件逐漸發(fā)展為壓彎構(gòu)件，當(dāng)發(fā)展到一定程度后，橋墩墩底拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度而開裂，并形成多道環(huán)向裂縫。

2.2 其它影響因素分析

當(dāng)梁底楔形塊未調(diào)平時(shí)，除上述討論的溫度作用影響外，汽車荷載對(duì)非連續(xù)墩偏移也產(chǎn)生影響。當(dāng)汽車荷載在橋面行駛和制動(dòng)時(shí)，對(duì)主梁將產(chǎn)生沖擊力和制動(dòng)力，沖擊力和制動(dòng)力方向與行駛方向相同，正常受力工況下主梁將通過支座將其傳遞到下部結(jié)構(gòu)。當(dāng)汽車上坡時(shí)，汽車制動(dòng)力和沖擊力作用下將推動(dòng)橋墩往上坡方向偏移，墩頂相應(yīng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，支座墊石頂面與楔形塊底面夾角將增大，（θ1-θ2）值增大，支座與梁底接觸面積減小，更容易產(chǎn)生支座滑移，橋墩往上坡方向偏移的現(xiàn)象。相反，當(dāng)汽車下坡時(shí)，汽車制動(dòng)力和沖擊力作用下將使橋墩往下坡方向偏移，此時(shí)，墩頂產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角后，支座墊石頂面與楔形塊底面夾角將減小，（θ1-θ2）值減小，支座與梁底接觸面積增大，不易產(chǎn)生這一現(xiàn)象。因此，受長時(shí)間單方向的滑移累計(jì)，加劇了非連續(xù)墩偏移的系列病害。

當(dāng)然，支座老化鼓包、受力及變形不均勻、鋼板銹蝕等都可能增大摩擦力，從而導(dǎo)致非連續(xù)墩墩頂兩排支座受力不協(xié)調(diào)，墩頂產(chǎn)生相應(yīng)方向的偏移病害。

2.3 墩頂偏移產(chǎn)生條件

通過對(duì)以上非連續(xù)墩正常調(diào)平楔形塊和非調(diào)平楔形塊受力對(duì)比分析，我們不難得出，影響非連續(xù)墩病害的直接原因就是梁底楔形塊未有效調(diào)平，導(dǎo)致非連續(xù)墩墩頂縱向兩排支座不能同時(shí)產(chǎn)生滑移。理論上講，如果橋墩為絕對(duì)剛性，當(dāng)作用力超過最大靜摩擦力后，縱向兩排支座都會(huì)先后發(fā)生滑動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)病害。相反，如果橋墩柔性較大，溫度作用力一直小于其中一排支座與楔形塊的最大摩擦力，則不會(huì)產(chǎn)生滑移。為此，有必要結(jié)合橋墩的實(shí)際剛度對(duì)這一臨界狀態(tài)展開研究。

假設(shè)A梁、B梁線膨脹系數(shù)為α，A、B梁溫度變形0點(diǎn)至梁端距離分別為LA、LB，非連續(xù)墩縱向水平截面抗彎剛度為EI，墩高h(yuǎn)。最大升溫工況下，B梁梁端伸長量δ（墩頂位移量）為αΔtLB，B梁與支座達(dá)到最大靜摩擦力，A梁與支座產(chǎn)生滑移，靜摩擦力為0；最大降溫工況下，A梁梁端收縮量δ（墩頂位移量）為αΔtLA，A梁與支座達(dá)到最大靜摩擦力，B梁與支座產(chǎn)生滑移，靜摩擦力為0。見圖4升溫工況下，墩頂所受的水平力：

圖4 滑動(dòng)后臨界受力狀態(tài)

即非連續(xù)墩剛度同時(shí)大于式（6）、式（7）時(shí)，可保證墩和梁之間同時(shí)滑移，將不會(huì)產(chǎn)生該類病害。

從式（6）、式（7）可以看出，橋墩水平抗推剛度、橋面縱坡、摩擦系數(shù)一定時(shí)，控制楔形塊底面與主梁夾角θ2是最有效的辦法。

2.4 依托橋梁病害分析

依托橋梁位于遼寧境內(nèi)，當(dāng)?shù)貥O端最低氣溫-23.3℃，極端最高氣溫33.4℃，平均溫度8℃。據(jù)查閱竣工資料，該橋施工形成連續(xù)梁階段正處于夏季，運(yùn)營階段受升溫作用力較小，但大橋受降溫影響作用明顯，極端作用下可達(dá)56℃，計(jì)算時(shí)溫差按照50℃考慮。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，非連續(xù)墩P4上方梁底楔形塊底面縱坡與主梁縱坡基本一致，但墊石頂面均為水平狀態(tài)。該橋梁具體參數(shù)如下：

按文中式（7）計(jì)算：

計(jì)算表明，該墩柱不能滿足支座與楔形塊之間的正?；茥l件，現(xiàn)對(duì)一年溫度變化引起的主梁變形過程進(jìn)行理論計(jì)算。

最大降溫工況下，此時(shí)A梁縮短，受楔形塊限制將帶動(dòng)P4墩向左發(fā)生偏移30mm。B梁支座當(dāng)達(dá)到臨界滑動(dòng)摩擦力時(shí)發(fā)生滑動(dòng)，相對(duì)最大滑移量為收縮變形量和墩頂偏移量之和，即30mm+38mm=68mm。當(dāng)從最低溫度回到初始最高溫度時(shí)，B梁與P4墩墩頂支座又不能發(fā)生滑移，將推動(dòng)P4墩繼續(xù)左偏移38mm（P4墩累計(jì)偏移30mm+38mm=68mm），A梁伸長，并與支座發(fā)生滑移，向下坡側(cè)滑移量為膨脹變形量和墩頂偏移量之和68mm。從夏季到冬季、從冬季回到夏季一個(gè)循環(huán)P4墩累計(jì)向上坡側(cè)偏移68mm，且不可自動(dòng)恢復(fù)，從施工完成到定期檢測(cè)第四年時(shí)間累計(jì)墩頂偏移將達(dá)272mm，這一理論分析數(shù)值與定期檢測(cè)結(jié)果250mm基本吻合，進(jìn)一步印證了墩柱偏移的原因。

3 病害處理方法及預(yù)防性對(duì)策研究

3.1 病害處理方法

非連續(xù)墩異常偏移病害是典型的彎曲破壞形式，成因機(jī)理明確，建議根據(jù)病害的嚴(yán)重程度采用不同的處理方法。若墩柱偏移量較小，墩底裂縫不嚴(yán)重且未對(duì)結(jié)構(gòu)承載力明顯削弱時(shí)，可將其橋墩復(fù)位后直接采用外包鋼護(hù)筒或粘貼碳纖維進(jìn)行加固。若墩柱病害嚴(yán)重以致不能加以利用時(shí)，建議在非連續(xù)墩兩側(cè)搭設(shè)臨時(shí)鋼管支架，采用“托梁換柱”的方法對(duì)病害墩柱進(jìn)行替換。同時(shí)，建議在運(yùn)營期間對(duì)處理完成后的墩柱建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，持續(xù)關(guān)注該處伸縮縫、支座位移和墩柱偏移狀態(tài)，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠[10，11]。

3.2 預(yù)防性對(duì)策

高墩大縱坡非連續(xù)墩偏移病害處理不僅需較長時(shí)間中斷交通，還需承擔(dān)較大的工程費(fèi)用，對(duì)工程的管養(yǎng)帶來沉重的負(fù)擔(dān)。因此，十分有必要在設(shè)計(jì)及施工階段提出相應(yīng)措施，以避免該類現(xiàn)象的發(fā)生。

（1）提高梁底楔形塊角度控制精度。JTG/T 3650-2020《公路橋涵施工規(guī)范》僅規(guī)定斷面尺寸的頂、底、腹板允許最大誤差為+5mm，對(duì)梁底楔形塊尺寸并未單獨(dú)要求。參照30m跨徑T梁通用圖，預(yù)制梁楔形塊縱向尺寸為540mm，若按照上述允許施工誤差+5mm計(jì)算，正常施工情況下引起縱坡偏差為0.9%。DB 61/T1440-2021《公路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定楔形塊底面縱坡不應(yīng)大于0.5%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，梁底楔形塊底面縱坡遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)規(guī)定值，不能保證楔形塊底面與支座良好接觸。因此，施工過程中必須加強(qiáng)梁底楔形塊施工精度的控制，從根源上避免該類現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）非連續(xù)墩墩頂選用摩擦系數(shù)小的球形支座。采用盆式橡膠支座時(shí)，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偏差時(shí)容易產(chǎn)生橡膠不均勻擠壓，支座狀態(tài)易發(fā)生異常，既對(duì)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)產(chǎn)生不利影響，又對(duì)橡膠耐久性產(chǎn)生不利影響。而球型支座通過球面?zhèn)髁?，不?huì)出現(xiàn)力的縮頸現(xiàn)象，作用在混凝土上的反力比較均勻；同時(shí)，球形支座通過球面聚四氟乙烯板的滑動(dòng)來實(shí)現(xiàn)支座的轉(zhuǎn)動(dòng)過程，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小，而且轉(zhuǎn)動(dòng)力矩只與支座球面半徑及聚四氟乙烯板的摩擦系數(shù)有關(guān)，與支座轉(zhuǎn)角大小無關(guān)。因此，非連續(xù)墩墩頂選用摩擦系數(shù)小的球形支座對(duì)結(jié)構(gòu)的整體受力更為有利。

（3）大縱坡高墩橋梁增設(shè)縱向限位裝置。為防止橋梁運(yùn)營階段因施工誤差引起墩柱產(chǎn)生水平位移不斷積累而危及橋梁安全，設(shè)計(jì)中建議在非連續(xù)墩墩頂增設(shè)縱向限位擋塊、主梁間縱向連接拉桿、橋墩與主梁間限位裝置等。在保證伸縮縫的工作的同時(shí)，也避免產(chǎn)生影響橋墩安全的較大水平位移。

（4）適當(dāng)增大非連續(xù)墩抗推剛度。適當(dāng)增大非連續(xù)墩的抗推剛度可增強(qiáng)抵抗水平變形的能力，減小墩頂?shù)乃轿灰疲_(dá)到減緩楔形塊施工誤差帶來的不利影響，保證在役橋梁的安全。

4 效果分析

工程按照“托梁換柱”的方法對(duì)P4墩柱重新施工，同時(shí)采用相同型號(hào)的盆式支座更換原有損壞支座，重新對(duì)梁底楔形塊底面進(jìn)行調(diào)平，并增設(shè)了橋墩與主梁之間的限位裝置。目前，該橋加固后已運(yùn)行超過3年，未再次發(fā)現(xiàn)該類病害。正確的病害處治設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)的精細(xì)化施工，有效地解決了高墩大縱坡梁橋偏移病害的系列問題。

5 結(jié)語

文中結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)連續(xù)梁橋非連續(xù)墩異常偏移病害成因機(jī)理展開研究，推導(dǎo)了墩柱偏移產(chǎn)生的條件，并針對(duì)性提出了病害的具體處理方法和預(yù)防性對(duì)策，并得出如下具體結(jié)論：

（1）高墩大縱坡梁橋運(yùn)營過程中出現(xiàn)非連續(xù)墩墩頂往上坡方向偏移、支座上下鋼板相互滑移、墩底環(huán)狀裂縫的直接原因是梁底楔形塊底面未有效調(diào)平，導(dǎo)致溫度作用下非連續(xù)墩墩頂兩排支座不能同時(shí)自由滑動(dòng)。汽車制動(dòng)力和沖擊力、支座老化、局部變形等會(huì)加劇這一病害的發(fā)展。

（2）從產(chǎn)生病害的機(jī)理出發(fā)，影響非連續(xù)墩病害的因素有非連續(xù)墩水平抗推剛度、摩擦系數(shù)、主梁縱坡、梁底楔形塊底面與縱坡夾角、支座所受的垂直反力、溫度作用下梁端變化量等。提出主動(dòng)控制的最有效措施是控制楔形塊底面角度誤差。

（3）根據(jù)非連續(xù)墩病害程度提出了兩種加固處理方法，對(duì)病害較輕且承載力未顯著降低的墩柱建議采用外包鋼護(hù)筒或粘貼碳纖維布進(jìn)行覆蓋，對(duì)墩柱病害嚴(yán)重不能加以利用時(shí)采用“托梁換柱”的方法進(jìn)行替換。同時(shí)建議在運(yùn)營期間對(duì)處理后的墩柱建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠。

（4）針對(duì)高墩大跨非連續(xù)墩的這類病害，提出了加強(qiáng)梁底楔形塊精度控制、采用摩擦系數(shù)較小的球形支座、增設(shè)限位裝置和適當(dāng)增強(qiáng)非連續(xù)墩抗推剛度等多種預(yù)防性措施，避免該類現(xiàn)象的發(fā)生。