某公路橋梁工程箱梁整體側(cè)向滑移成因及處置方案分析

段紅衛(wèi)

摘要 公路橋梁工程運(yùn)營(yíng)過程中，極易產(chǎn)生箱梁滑移現(xiàn)象，影響結(jié)構(gòu)使用性能，威脅交通安全。為有效了解簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)側(cè)向滑移的具體成因，文章以某橋梁工程為背景，針對(duì)箱梁滑移原因及處置方案展開綜合探究，通過現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量狀況調(diào)查，了解梁體滑移的具體情況，并確定了導(dǎo)致梁體滑移的相關(guān)因素。借助有限元3DPL軟件構(gòu)建成橋計(jì)算模型，對(duì)0.05、0.03、0.026三種摩擦系數(shù)條件下梁體側(cè)向滑移情況進(jìn)行模擬分析。結(jié)果顯示：（1）梁體滑移主要是由支座使用不合理所致，同時(shí)橋側(cè)堆土也在一定程度上加劇了箱梁滑移。（2）建議對(duì)橋梁實(shí)施復(fù)位處理，將簡(jiǎn)支箱梁一端滑動(dòng)支座更換為板式橡膠支座，同時(shí)盡量避免在橋梁周圍堆土，并加強(qiáng)沉降、變形的監(jiān)測(cè)，確保橋梁運(yùn)營(yíng)安全。

關(guān)鍵詞 橋梁工程項(xiàng)目；梁體滑移；有限元分析；處置方案

中圖分類號(hào) U445.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）10-0078-03

0 引言

橋梁工程運(yùn)營(yíng)期間普遍存在梁體滑移問題，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)使用安全。通常狀況下，梁體滑移主要與下列因素有關(guān)：①自身質(zhì)量因素，如支座性能不合格，抗剪強(qiáng)度低等[1]。②施工因素，支座安裝不規(guī)范，未按照施工規(guī)范要求設(shè)置調(diào)平裝置[2]。③支座使用不合理，未根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式選用合適的支座類。④外部荷載作用，如橋側(cè)堆載過大或路橋結(jié)合處土壓過大等[3]。某橋梁運(yùn)營(yíng)階段梁體出現(xiàn)側(cè)向滑移，該文借助有限元分析模型，對(duì)梁體側(cè)滑原因進(jìn)行模擬計(jì)算分析，確定了梁體滑移的主要原因，并提出了科學(xué)有效的處置措施，以期能有效提升橋梁穩(wěn)定性，保證橋梁運(yùn)營(yíng)安全[4]。

1 工程概況

某橋梁工程為預(yù)制預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)，梁體長(zhǎng)度24 m，下部結(jié)構(gòu)為柱式橋墩，基礎(chǔ)形式采用鉆孔灌注樁，支座系統(tǒng)采用規(guī)格為L(zhǎng)NR-d435×188型圓形滑動(dòng)橡膠支座。橋面縱、橫向坡度利用橋墩縱橫向高差形成。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量狀況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，箱梁整體出現(xiàn)側(cè)向滑移，12#橋墩頂部左側(cè)防護(hù)欄桿移位3 cm，右側(cè)防護(hù)欄桿、伸縮縫產(chǎn)生較大變形。簡(jiǎn)支跨支座存在滑移問題，滑移距離為2～8 cm。其中，12#橋墩頂部的5個(gè)支座整體左移8 cm，11#橋墩頂部的5個(gè)支座整體右移4 cm。該橋梁周邊區(qū)域地質(zhì)狀況良好，不存在滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害狀況；病害跨外側(cè)3 m處存在大量棄土，棄土長(zhǎng)20 m、寬15 m、高4 m。

2 有限元計(jì)算原理

該項(xiàng)目模擬計(jì)算的難點(diǎn)在于支座體系與箱梁摩擦面之間的計(jì)算。該橋梁工程支座系統(tǒng)為L(zhǎng)NR-d435×188型圓形滑動(dòng)橡膠支座，支座與箱梁接觸部位布設(shè)摩擦面。利用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型進(jìn)行模擬計(jì)算[5]，此模型中的內(nèi)聚力又稱為黏聚力，模擬計(jì)算時(shí)為剪應(yīng)力，計(jì)算公式為：

τ =c+σtanφ （1）

式中，c——黏聚力；σ——法向力；φ——內(nèi)摩擦角；τ——剪應(yīng)力。摩擦力F的計(jì)算公式為：

F=μN(yùn) （2）

式中，F(xiàn)——支座與箱梁之間摩擦力；μ——摩擦系數(shù)；N——支座承受壓力。式（1）、式（2）聯(lián)立，并使c=0，因Aσ=N，μ=tanφ，能夠得出：Aσtanφ=μN(yùn)。由此可知，改變內(nèi)摩擦角度數(shù)可使支座摩擦系數(shù)發(fā)生改變。

3 有限元計(jì)算分析

3.1 有限元模型

利用3DPL軟件構(gòu)建有限元模型，其長(zhǎng)、寬分別為155 m和100 m。土體選用摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，利用單元模塊模擬樁基與周邊土層作用情況[6]。土體、基礎(chǔ)與梁體均通過10節(jié)點(diǎn)立面體單元進(jìn)行模擬，成橋模型見圖1所示：

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地勘資料得到土壤天然密度、粘聚力、內(nèi)摩擦角等相關(guān)力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》確定泊松比、變形模量等指標(biāo)[6]，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1、表2所示。支座系統(tǒng)與梁體摩擦面利用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，在0.05、0.03、0.026三種摩擦系數(shù)下實(shí)施運(yùn)算。

3.3 計(jì)算工況

工況1：施加土體重力荷載作用，形成初始應(yīng)力，對(duì)土體初始狀態(tài)實(shí)施模擬[7]。

工況2：基于工況1設(shè)置樁基、承臺(tái)、橋墩、蓋梁等構(gòu)件，并模擬計(jì)算該狀態(tài)下的土體與結(jié)構(gòu)應(yīng)變情況。蓋梁設(shè)置坡度為0.02的橫坡，蓋梁模型如圖2所示：

工況3：基于工況2設(shè)置上部結(jié)構(gòu)，求出此狀態(tài)下土體與結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形。根據(jù)縱向橋墩高差設(shè)置橋面縱坡為0.026。支座與梁體摩擦系數(shù)按照0.05、0.03、0.026進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算模型如圖3所示。

工況4：按照工況3在12跨橋面布置交通荷載，并求出結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形，支座與梁體摩擦系數(shù)依次按照0.05、0.03、0.026進(jìn)行計(jì)算。

工況5：基于工況3，在11#橋墩外側(cè)3 m處，增設(shè)長(zhǎng)、寬、高分別為20 m、15 m、4 m的土堆，詳細(xì)模型見圖4所示。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 支座影響

由模擬計(jì)算結(jié)果可知，支座與梁體間的摩擦系數(shù)?=0.05時(shí)，二者之間的變形較為協(xié)調(diào)，在自身重力及交通荷載作用下箱梁結(jié)構(gòu)縱、橫向變形均較小[8]；而當(dāng)摩擦系數(shù)?=0.03或?=0.026時(shí)，第12跨箱梁縱、橫向均出現(xiàn)明顯滑動(dòng)，詳細(xì)情況見表3所示：

4.2 堆土影響

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，11#橋墩外側(cè)3 m處存在大量棄土，高度達(dá)4 m，模擬過程中分析堆土造成的影響。為防止支座摩擦力取值較小而影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，模擬計(jì)算時(shí)摩擦系數(shù)取0.05。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果可知，橋梁周邊地質(zhì)狀況較好，其外側(cè)堆土對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響相對(duì)較小，堆土前后11#橋墩頂部位箱梁結(jié)構(gòu)由外偏0.6 mm變?yōu)閮?nèi)偏0.8 mm。

根據(jù)軟件模擬分析得出工況5第12跨縱向滑動(dòng)位移云圖，其12#橋墩頂箱梁由外偏1.4 mm變?yōu)橥馄?.6 mm，表明橋梁外側(cè)堆土導(dǎo)致箱梁發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)，使11#橋墩頂部箱梁外偏量增大；根據(jù)軟件模擬分析得出堆土?xí)r下部結(jié)構(gòu)為第1主應(yīng)力云圖，該主應(yīng)力小于1.0 MPa，低于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中C30構(gòu)件抗拉強(qiáng)度為2.01 MPa的規(guī)定。

5 病害成因分析及處置方法

5.1 病害成因分析

根據(jù)有限元模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)梁體側(cè)向滑移原因進(jìn)行分析，具體內(nèi)容如下：

（1）簡(jiǎn)支箱梁兩端支座均為L(zhǎng)NR-d345×118型圓形滑動(dòng)橡膠支座，因11#橋墩、12#橋墩頂部蓋梁縱、橫向存在0.026和0.02的坡度，支座與梁體間的摩擦系數(shù)依次按照0.05、0.03、0.026進(jìn)行模擬計(jì)算。當(dāng)?=0.05時(shí)，箱梁在重力荷載或交通荷載作用下均出現(xiàn)滑移；而當(dāng)?=0.026或?=0.03時(shí)，箱梁在重力荷載或交通荷載條件下均出現(xiàn)了滑移。按照現(xiàn)行《LNR型水平力分散橡膠支座設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)溫度處于?25～60 ℃時(shí)，此類支座摩擦系數(shù)?≤0.03，所以，箱梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑移的根本原因在于摩擦力不足。

（2）模擬計(jì)算結(jié)果顯示，橋側(cè)堆土導(dǎo)致11#橋墩與頂部箱梁結(jié)構(gòu)向左偏移增大，但整體增量較小。

5.2 處置方法

結(jié)合該橋梁病害具體成因，對(duì)箱梁側(cè)向滑動(dòng)實(shí)施復(fù)位處理，更換原有支座，改為板式橡膠支座。同時(shí)，強(qiáng)化橋梁運(yùn)營(yíng)階段的變形監(jiān)測(cè)，保證使用安全。

6 結(jié)論

綜上所述，該文依托實(shí)際工程案例，并借助有限元模擬計(jì)算，系統(tǒng)分析了簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)側(cè)向滑移的主要原因，并提出了科學(xué)有效的處置方案。具體如下：

（1）簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生梁體滑移的根本原因在于支座選型不合理，梁體兩端不宜同時(shí)采用滑動(dòng)支座，尤其當(dāng)梁體縱、橫向坡度較大，結(jié)構(gòu)沿坡度方向的分力作用超過摩阻力作用時(shí)，便會(huì)引發(fā)梁體滑移。

（2）橋梁外側(cè)堆土?xí)谝欢ǔ潭壬嫌绊憳蛄航Y(jié)構(gòu)受力，加劇梁體滑移，因此工程實(shí)踐中應(yīng)禁止在橋梁周邊堆土。

（3）根據(jù)橋梁滑移形成的具體原因，對(duì)橋梁進(jìn)行復(fù)位處理，將原始圓形滑動(dòng)橡膠支座更換為板式橡膠支座，并加強(qiáng)后續(xù)的位移監(jiān)測(cè)，保證橋梁運(yùn)營(yíng)安全。

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