橋梁上部結(jié)構(gòu)梁體滑移分析及處治方案設(shè)計

張重陽

(黃淮學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000)

1 工程概況

某主線橋是廣東省高速公路“九縱五橫兩環(huán)”中的重要交通樞紐。橋梁全長304.14 m，于2016年底全線通車。該橋上部結(jié)構(gòu)采用跨徑組合為10×30 m的預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后橋面連續(xù)T梁，每跨7片T梁，全橋共分為四聯(lián)，其中第一聯(lián)和第四聯(lián)各1跨，如圖1所示。該橋梁位于直線段上，橋面全寬16.5 m，兩側(cè)防撞欄寬0.5 m，橋面采用11 cm瀝青混凝土橋面鋪裝。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋臺和直徑為1.6 m和2 m的雙柱式墩。橋梁設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級。

在專項檢查的過程中發(fā)現(xiàn)，該橋梁梁體存在往下坡方向滑移的現(xiàn)象，導(dǎo)致全橋范圍內(nèi)的支座、墊石和楔形塊均較原來的位置出現(xiàn)了不同程度的滑動，部分伸縮縫型鋼出現(xiàn)超寬或頂死的狀況，墩柱的豎直度也出現(xiàn)了不同程度的傾斜。本文根據(jù)該橋梁檢測情況進行病害原因分析[1]，并對第二聯(lián)和第三聯(lián)建立有限元模型進行結(jié)構(gòu)計算[2]，最后給出適用于該橋的加固處治措施。

圖1 橋梁立面布置圖(單位：cm)

2 橋梁主要病害及原因分析

在定期檢查的基礎(chǔ)上，對該橋梁進行全面細致的專項檢查，主要包括：①梁底楔形塊相對支座滑移量的量測；②支座及支座墊石與蓋梁的相對平面位置的量測；③梁體間距和伸縮縫型鋼間距的量測；④測量各墩柱豎直度。

2.1 主要病害

(1)支座系統(tǒng)。橋梁的第二聯(lián)(第2跨～第5跨)和第三聯(lián)(第6跨～第9跨)梁底楔形塊較支座均有往縱坡下坡方向及橫坡下坡方向的滑痕，支座相對下墊石基本無明顯滑移痕跡，支座往下坡方向剪切10°～ 20°，如圖2所示；根據(jù)實際測量橋梁各支座和楔形塊平面相對位置，5#墩頂梁底楔形塊滑痕量值最大，縱向有88 ～148 mm，橫向有18 ～ 71 mm。第1跨和第10跨兩邊跨梁底楔形塊及支座未見明顯異常。

圖2 支座脫空及相對滑移

(2)伸縮縫。9#墩頂伸縮縫型鋼頂死，1#與5#墩頂伸縮縫型鋼間距分別為97 mm、78 mm，均接近或超過限值，且對應(yīng)路面標線及外側(cè)防撞墻存在大里程較小里程向右側(cè)橫向錯位5～18 mm、6～32 mm的情況(檢查時氣溫28℃)。

(3)梁端間距測量情況。1#墩和5#墩頂處外邊梁端間距分別為13.5 cm和8.4 cm，9#墩頂外邊梁梁端間距最窄，但仍有5 cm的寬度，雖然墩頂伸縮縫型鋼頂死，但是通過對上部結(jié)構(gòu)的檢查及相關(guān)數(shù)據(jù)的量測，判斷梁端并未頂死。

(4)外邊梁梁端與墩頂支座墊石中對中情況。墩頂2排支座墊石的中心線與蓋梁中心線偏差較大，故采用支座墊石中心線與梁端中心線縱向位置進行比較。通過測量對比發(fā)現(xiàn)，梁端中線相對支座墊石中線均存在往大里程方向偏位的現(xiàn)象，其中5#墩頂邊梁梁端中線相對支座墊石中線往大里程方向偏位105 mm。

2.2 病害原因分析

根據(jù)現(xiàn)場實測支座與楔形塊相對位置、伸縮縫以及梁端間距等情況，梁體滑移原因主要有以下幾點[3]：

(1)受橋梁結(jié)構(gòu)的縱坡影響，梁體會產(chǎn)生往低處的力。在汽車荷載作用下，包括上坡方向的車輛對橋面的摩擦力，或車輛前進方向的制動力等，也會對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平力，通常這個力由支座摩擦力(支座剪切變形)提供。隨著使用年限的增加，綜合多種因素，支座摩擦力或支座剪切變形不足以抵抗陡坡上梁體自重下滑力、汽車制動力或爬坡力沿著主梁下坡方向產(chǎn)生的水平分力，導(dǎo)致梁體滑移。

(2)根據(jù)實測數(shù)據(jù)，橋梁支座局部脫空較為普遍，分析是梁底調(diào)平施工精度不足，導(dǎo)致各支座處受力不均，變形不協(xié)調(diào)，支座可提供的摩擦力較小，主梁受過往車輛，特別是重車的沖擊和振動影響，疊加行駛車輛的制動力或加速力等，導(dǎo)致梁體不斷往下坡方向產(chǎn)生滑移，且滑移后不能恢復(fù)，位移在累加。

(3)支座受力不均局部受壓，因支座安裝不水平，T梁將上部荷載傳遞給支座時，會產(chǎn)生一定的水平分力，該水平分力會使得T梁有向下滑動的趨勢，梁體反過來擠壓局部脫空支座或未放置水平的支座，導(dǎo)致支座產(chǎn)生反向移位。

(4)梁體在溫度、收縮徐變作用下的梁體變形導(dǎo)致與支座間產(chǎn)生相對滑動，部分滑動變形不能完全恢復(fù)，且長年累積導(dǎo)致位移越來越大。

(5)其他原因的影響。比如施工時的誤差影響，受陡坡地形、推土等影響，橋梁樁柱受不平衡土壓力導(dǎo)致樁柱產(chǎn)生推移。并且在橋梁運營的過程中，可能存在意外安全事故，如多輛車一起制動產(chǎn)生的水平力較大，受慣性力影響引起上部結(jié)構(gòu)水平變位。

根據(jù)檢測結(jié)果，橋梁梁體變位情況、縱坡、行車方向等，與縱坡大小、行車方向不存在必然的規(guī)律性，經(jīng)分析應(yīng)是多種因素疊加引起的結(jié)果。

3 樁柱受力驗算

3.1 建立模型

樁柱受梁體移位后，支承位置發(fā)生變化，樁柱會產(chǎn)生偏心彎矩，垂直度也有一定變化。根據(jù)梁體滑移檢測情況，對于該橋1-9#墩上下部結(jié)構(gòu)建立模型，每跨主梁的滑移量和橋墩垂度按照檢測報告實測值在模型中模擬。模型中主要考慮了恒載、活載汽車制動力、風荷載和溫度荷載的作用，其中汽車荷載按照公路-Ⅰ級，橫向布置4個車道[4]。主梁與蓋梁采用彈性連接模擬支座剛度，樁土作用按照m法計算樁基與地基的彈簧約束剛度模擬，如圖3所示。

圖3 有限元計算模型

3.2 靜力計算結(jié)果

經(jīng)驗算，橫橋向不控制設(shè)計，故主要以順橋向驗算為主。將梁體自重、汽車制動力、溫度荷載、收縮徐變以及風荷載等進行組合，分別取基本組合和頻遇組合最不利情況進行下部結(jié)構(gòu)樁柱驗算。驗算根據(jù)規(guī)范JTG 3362—2018[5]進行，驗算結(jié)果如表1和表2所示。由驗算結(jié)果可知，墩底處縱橋向截面和樁基最不利處縱橋向截面驗算抗壓、抗彎承載力均滿足規(guī)范要求。

表1 墩底截面靜力驗算結(jié)果

續(xù)表

表2 樁基截面靜力驗算結(jié)果

4 處治方案

4.1 總體加固思路

結(jié)合橋梁現(xiàn)狀及典型構(gòu)件驗算，支座變形和伸縮縫等尚能基本滿足使用要求?？紤]梁體復(fù)位的復(fù)雜性和難度、處治期間對主線通行影響，目前暫推薦較為簡單的處理方案，即采用支座調(diào)平和加限位裝置等措施控制梁體和支座進一步滑移。后續(xù)加強觀測，確認梁體、支座是否會繼續(xù)移位。如后續(xù)繼續(xù)變位，應(yīng)結(jié)合實際情況適時確定梁體復(fù)位，恢復(fù)梁體及支座的正常功能。

4.2 處治措施

(1)支座脫空處治?？紤]支座脫空和局部偏位，對上構(gòu)T梁受力不利，且結(jié)合上述分析，支座脫空是引起梁體滑移的主要原因之一，擬對支座與梁底調(diào)平局部脫空區(qū)域進行處理。對于局部脫空面積小于10%的，可暫不處理；對于局部脫空超過10%的，采用壓注環(huán)氧樹脂膠(脫空最大高度2 mm以內(nèi))或在鋼板與支座接觸面涂抹環(huán)氧樹脂膠后打入楔形調(diào)平鋼板的方式(脫空高度2 mm以上)，如圖4所示；對于支座偏位較大(支座部分超出墊石或梁底調(diào)平)的，在梁底調(diào)平處理之前，先局部整體頂升梁體后將支座位置調(diào)整復(fù)位，保證支座全面積在墊石、梁底調(diào)平范圍；對于支座剪切變形較大或損壞的，需要進行更換支座。

圖4 支座系統(tǒng)改造示意圖

(2)伸縮縫。清理梁端間距之間的雜物、建筑垃圾等，必要時采用繩鋸切割處理，以盡量充分利用既有梁端縫隙。對伸縮縫縫寬變化不大的橋梁，若根據(jù)計算滿足規(guī)范要求，可不予處治；對于縫寬變化較大的橋梁，建議拆除更換伸縮縫，減小縫寬；對于伸縮縫已頂死，但梁端仍有一定間隙的，拆除更換伸縮縫，滿足變形要求。

(3)限位措施。①對梁體與擋塊之間，在橫橋向設(shè)置橡膠墊塊，橡膠墊塊厚度以與梁體腹板、擋塊內(nèi)側(cè)緊密貼合為原則進行布設(shè)。橡膠墊塊在橋臺處單側(cè)擋塊處設(shè)置1塊、在橋墩單側(cè)擋塊處設(shè)置2塊(前后跨梁體分別設(shè)置1塊)，橡膠墊塊采用環(huán)氧樹脂膠粘貼在擋塊內(nèi)側(cè)，頂面與擋塊頂平齊。根據(jù)梁體腹板與擋塊之間的寬度，可適當調(diào)整橡膠墊塊的厚度，必要時可以單側(cè)設(shè)置2塊橡膠墊塊，保證橡膠塊與梁側(cè)面貼合，如圖5所示。②通過檢查各橋主梁向下坡方向滑移情況，可在橋墩蓋梁上植筋設(shè)置限位混凝土擋塊，并在擋塊內(nèi)側(cè)粘貼橡膠墊塊來進一步限制主梁的滑移，其中橡膠墊塊的厚度視具體情況而定。新增限位擋塊兼有橫向和縱向限位功能，擋塊與橫隔板之間的間隙設(shè)置橡膠墊塊，與T梁腹板之間也設(shè)置橡膠墊塊。橡膠墊塊采用環(huán)氧樹脂膠粘貼在擋塊上。并對橋下陡坡適當整平，減小不平衡土壓力造成的橋墩偏位，如圖6所示。

圖5 橫橋向限位示意圖

圖6 順橋向限位示意圖

4.3 增設(shè)縱向限位擋塊后的受力驗算

增設(shè)縱向限位擋塊后，如梁體繼續(xù)滑移，則新增擋塊通過橫隔板限制梁體的繼續(xù)變位，在此需對橫隔板進行結(jié)構(gòu)驗算。同時，在設(shè)置限位擋塊后，雖然擋塊與橫隔板之間預(yù)留5 cm間隙，但要求安裝5 cm厚橡膠墊塊，受整體升降溫及混凝土收縮徐變影響，梁體變位將通過橫隔板、限位擋塊傳遞水平力至下部結(jié)構(gòu)。

(1)橫隔板承載力驗算。為使驗算結(jié)果更加安全，考慮最不利工況下橫隔板受力狀況，基于前面兩聯(lián)T梁模型，因為1#墩和9#墩前后仍有主梁作用，前面兩聯(lián)模型無法準確得到其墩頂水平力值，故取其余2～8#墩墩頂水平力最大值進行橫隔板抗剪承載力驗算。通過Midas Civil 2020建立橫隔板局部梁單元模型進行受力分析，因為新增加限位擋塊與橫隔板接觸面積較小，故選取0.5 m寬橫隔板進行建模計算，橫隔板兩端邊界條件采用全固結(jié)的方式。

根據(jù)規(guī)范GB 50010—2010[6]中6.3.3項，對于不配置箍筋和彎起鋼筋的一般板類受彎構(gòu)件，其斜截面受剪承載力應(yīng)符合滿足下列公式：

V≤0.7βhftbh0

(1)

(2)

根據(jù)公式計算可得，橫隔板的斜截面抗剪承載力值V=119.1 kN。因在每個橋墩蓋梁梁端增設(shè)限位擋塊，根據(jù)實際情況等效為支座彈性連接垂直于橫隔板方向的彈性支撐剛度，并考慮了制動力，風荷載和溫度等荷載最不利狀況下的組合作用，由模型計算各橋墩處垂直于橫隔板方向水平荷載，取最大值進行橫隔板承載力驗算，得橫隔板剪力效應(yīng)值V=97.9 kN<119.1 kN，滿足規(guī)范要求。部分計算結(jié)果如表3、表4所示。

表3 部分墩底截面靜力計算結(jié)果

表4 部分樁基最不利截面靜力計算結(jié)果

(2)樁柱驗算。橋梁樁柱在溫度和收縮徐變作用下會發(fā)生一定的偏位，設(shè)置縱向限位擋塊后梁體變形會對下部結(jié)構(gòu)樁柱產(chǎn)生水平力。本橋一聯(lián)為120 m，以一聯(lián)中間位置作為溫度零點，綜合考慮整體升降溫和收縮徐變的作用，取不利組合進行包絡(luò)驗算。伸縮縫處梁體變形引起的橋墩墩頂偏位按2 cm計，根據(jù)前述樁柱驗算結(jié)果，選取該橋右幅4#、5#、6#和8#較為不利的樁柱分別建立樁柱模型來計算相應(yīng)的水平力值。

由以上驗算可知，在溫度荷載和收縮徐變作用下，墩底處縱橋向截面和樁基最不利處縱橋向截面驗算抗壓、抗彎承載力和裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

綜合上述分析，本文得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)橋梁的變位情況、縱坡、行車方向等分析，橋梁梁體滑移與縱坡大小、行車方向不存在必然的規(guī)律性，該橋梁體滑移應(yīng)是多種因素疊加引起的結(jié)果。

(2)通過建立有限元模型，進行梁體滑移后橋梁上下部結(jié)構(gòu)受力驗算，根據(jù)靜力計算結(jié)果，梁體滑移后產(chǎn)生的附加彎矩對于下部結(jié)構(gòu)的作用仍能滿足規(guī)范抗彎和抗壓承載力的要求。

(3)本文對于橋梁出現(xiàn)病害的位置，分析病害產(chǎn)生的原因，提出增設(shè)調(diào)平鋼板和限位擋塊等切實可行的處治措施，并通過Midas建立有限元模型對加固后的梁體橫隔板和橋墩樁柱的承載力和裂縫寬度進行驗算，計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，從而保證橋梁安全運營，為今后橋梁出現(xiàn)類似病害提供參考依據(jù)。