某高速公路匝道彎箱梁橫向偏位原因分析及加固研究

盧傳忠

江蘇沿海高速公路管理有限公司（224500）

某高速公路匝道彎箱梁橫向偏位原因分析及加固研究

盧傳忠

江蘇沿海高速公路管理有限公司（224500）

以某高速公路匝道為例，對彎箱梁橫向偏位的原因進(jìn)行分析，并進(jìn)行了現(xiàn)場檢測，提出了將D80伸縮縫更換為D160伸縮縫，板式支座更換為盆式支座并增設(shè)限位擋塊的處理方案。

彎箱梁；橫向偏位；理論分析；加固；限位擋塊

在溫度、車輛等荷載作用下，彎箱梁側(cè)向、縱向和扭轉(zhuǎn)位移等病害較為常見[1-2]，極易發(fā)生事故，嚴(yán)重影響道路行車安全，對此病害應(yīng)予以足夠重視。某高速公路互通匝道橋右幅在定期檢測中發(fā)現(xiàn)梁體沿徑向向外側(cè)滑移14.5cm,業(yè)主隨即委托相關(guān)單位進(jìn)行了詳細(xì)檢測,根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行了理論分析，最終制訂了搶險(xiǎn)加固方案。

1 橋梁概況

某高速公路互通匝道橋上跨主線，橋梁總寬15.5m，左右分幅，單幅橋?qū)?.75m，上部結(jié)構(gòu)采用十孔一聯(lián)的等高度鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑布置為（4×20+2×25+4×20）m，全長217m。本橋0#孔部分位于緩和曲線段A=63m，其余全部位于R= 800m的圓曲線上，豎曲線變坡點(diǎn)位于5#墩處，坡度為3%，坡長212m。設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級，掛車-120。

箱梁為單箱單室截面，斷面高度1.3m，頂板厚20cm，底板跨中厚15cm，支點(diǎn)處厚20cm，腹板跨中厚30cm，支點(diǎn)處厚50cm。0#孔部分箱梁進(jìn)入超高段，超高通過箱梁頂設(shè)置三角墊層實(shí)現(xiàn)。

4#～6#墩采用等截面圓形獨(dú)柱墩，墩柱直徑1.25m，墩高約7.0m，墩臺基礎(chǔ)按徑向布置，墩頂布置普通圓板式橡膠支座。其余橋墩均為花瓶墩，墩頂布設(shè)四氟滑板橡膠支座，如圖1所示。

圖1 橋梁平面布置圖

2 現(xiàn)場檢測結(jié)果

根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/TH 21-2011），對該橋進(jìn)行詳細(xì)檢查，主要情況如下:

2.1 梁體滑移

右幅梁體（曲線外側(cè)）在平面內(nèi)徑向向外側(cè)滑移,梁體楔塊中心線遠(yuǎn)離支座中心線，其中3#、4#和5#墩上梁體偏移量分別為11.4cm、11.9cm和14.5 cm。在0#、10#橋臺處梁體暫未與擋塊橫向頂死。4#墩1#支座楔塊有7個(gè)圓環(huán)印記，從外向內(nèi)的間距依次為1.5cm、4.8cm、1.2cm、1.0cm、2.1cm、0.5 cm和0.8cm。梁體偏移量明細(xì)表見表1.

表1 梁體偏移量明細(xì)表（cm）

2.2 支座變形

6#墩1#支座橫向剪切變形35°（如圖2所示），其余支座均未剪切變形，也未脫空。3#墩1#支座已移動，其余支座本身未發(fā)生移動。

圖2 6#墩處梁體滑離支座

2.3 伸縮縫堵死

臺背與梁端已堵死,伸縮縫不能伸展（如圖3所示）。

圖3 10#臺頂伸縮縫堵塞

2.4 車輛荷載調(diào)查

在發(fā)現(xiàn)病害后，立即調(diào)查該橋在本年度各月車輛情況。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橋在該年度車輛荷載逐月有增加的趨勢。該橋10月和11月的超重車輛通過較多，個(gè)別日期出現(xiàn)多輛120t重車（非掛車）連續(xù)經(jīng)過收費(fèi)站的情況。

3 理論分析

3.1 計(jì)算參數(shù)

參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTJ021-89)及《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ023-85，以下簡稱《橋規(guī)》），制動力按橋墩墩頂與其上的支座集成剛度分配，對設(shè)置四氟滑板支座的橋墩，不考慮承受制動力，因此制動力分配給4#、5#和6#墩。荷載組合如下:組合I:1.0×恒載效應(yīng)+ 1.0×汽車荷載效應(yīng)+1.0×收縮徐變；組合II:組合I+ 1.0×其他效應(yīng)（溫度等）；組合III:組合I+1.0×掛車效應(yīng)。

3.2 模型的建立

采用MIDASCivil2015建立全橋模型，總共建1274個(gè)節(jié)點(diǎn)，1226個(gè)單元。考慮各橋墩的集成剛度，模型中采用彈性連接模擬圓板橡膠支座豎向剛度、剪切剛度和轉(zhuǎn)角剛度；用彈簧按“m”法考慮樁土共同作用，單元長度0.5m，按實(shí)際截面建立梁體、橋墩，并考慮平縱曲線對結(jié)構(gòu)的影響。

3.3 原結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果

根據(jù)《橋規(guī)》5.5.3可知，梁體最不利截面內(nèi)力數(shù)據(jù)（見表2）均符合下列公式，因此梁體可不進(jìn)行構(gòu)件的抗扭承載力計(jì)算。

表2 梁體最不利截面內(nèi)力表

其中:Vd——剪力組合設(shè)計(jì)值；Td——扭矩組合設(shè)計(jì)值；b——箱型截面腹板總寬度；h0——箱型截面有效高度；Wt——截面受扭塑性抵抗矩。

表3 梁體抗彎承載能力驗(yàn)算表

從表3可以看出，梁體抗彎承載能力滿足正常使用要求。

表4 梁體裂縫寬度驗(yàn)算表(mm)

從表4可以看出，梁體裂縫寬度在組合I作用下均小于0.2mm，在組合II和組合III作用下均小于0.25mm，滿足正常使用要求。

綜上所述，原設(shè)計(jì)支座承載能力滿足正常使用要求。

3.4 邊界條件改變對結(jié)構(gòu)的影響

梁體梁端受約束剛度大于中間各墩時(shí)，整個(gè)彎梁橋在平面內(nèi)可視為一座水平面內(nèi)的兩鉸拱橋，由于橋梁豎曲線縱坡大，整個(gè)彎梁橋在豎向也可視為一座兩鉸拱橋。

表5 邊界條件改變對結(jié)構(gòu)的影響(kN)

從表5可以看出，當(dāng)溫度升高時(shí)會導(dǎo)致墩頂反力減小，徑向水平力增加。當(dāng)梁端受約束時(shí)，在溫度升高和離心力等綜合作用下，支座徑向滑動力大于支座摩阻力時(shí)，會出現(xiàn)梁體向外側(cè)滑移。

4 病害原因分析

根據(jù)現(xiàn)場檢測及理論分析,梁端受約束時(shí)，溫度升高產(chǎn)生的徑向力+多輛重車產(chǎn)生的離心力（極端情況）超過支座摩阻力，則引起橫橋向位移，在外荷載消失后，橫向位移并不能全部恢復(fù)，形成殘余位移。當(dāng)溫度降低、梁體收縮后，梁端與伸縮縫存在間隙，梁端會向平面外有微小移動；當(dāng)溫度升高至一

定程度時(shí)，梁體伸長后，梁端與伸縮縫之間間隙被填滿的同時(shí),梁端受約束,當(dāng)極端情況再發(fā)生時(shí),又引起橫橋向位移。如此情況反復(fù)發(fā)生，橫橋向多次殘余位移累積，形成目前梁體徑向向外滑移的現(xiàn)象[3]。

5 加固方案研究

根據(jù)病害原因分析，針對橋梁徑向向外爬移量大的現(xiàn)象,在橋梁搶險(xiǎn)加固之前限制超重車輛通行，并跟蹤觀察關(guān)鍵墩處梁體的偏移量。

鑒于梁體滑移后承載能力和使用性能沒有明顯劣化，頂推箱梁復(fù)位意義不大，板式支座使用年限受影響，應(yīng)在原位進(jìn)行搶險(xiǎn)加固，考慮兩種加固方案，如表6所示[4-5]。從表中可以看出，D80伸縮縫改為D160伸縮縫及設(shè)置側(cè)向限位裝置為兩方案相同部分，更換伸縮縫有利于恢復(fù)結(jié)構(gòu)邊界條件，改善橋梁目前受力狀態(tài)。增設(shè)限位裝置可以防止極端狀態(tài)下落梁事故的發(fā)生，保障橋梁運(yùn)營安全。

表6 兩種加固施工方案對比

方案一將所有板式支座更換為盆式支座，計(jì)算結(jié)果顯示，其支座反力及結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化不大，離心力變化如圖4所示。從圖中可以看出，更換盆式支座后，獨(dú)柱墩墩頂離心力降低23%～56%，各墩頂盆式支座共同承受離心力荷載，結(jié)構(gòu)受力更為合理。立柱和樁基的承載能力和使用性能均能滿足正常使用要求。

圖4 方案一結(jié)構(gòu)離心力對比（kN）

方案二將獨(dú)柱墩與梁體進(jìn)行固結(jié)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，梁體承載能力能滿足正常使用要求，但在組合I作用下裂縫寬度超過《橋規(guī)》0.20mm的規(guī)定，不能滿足正常使用要求，如表7所示。

表7 方案二5#墩頂裂縫寬度驗(yàn)算

方案二5#墩立柱承載能力驗(yàn)算結(jié)果如表8所示。從表中可以看出，其內(nèi)力設(shè)計(jì)值超過結(jié)構(gòu)抗力約1.1倍，不能滿足要求。

表8 方案二5#墩立柱承載力驗(yàn)算

綜上所述，方案二結(jié)構(gòu)裂縫驗(yàn)算及墩柱承載力驗(yàn)算不符合要求。方案一結(jié)構(gòu)內(nèi)力及支座反力變化不大，離心力大幅減少，結(jié)構(gòu)受力較為合理，因此確定方案一為最終加固方案。

6 結(jié)論

1）該彎箱梁沿曲線徑向向外側(cè)最大偏位14.5 cm，支座最大剪切變形35°，伸縮縫堵死，發(fā)現(xiàn)病害前該橋部分時(shí)間有超重車輛連續(xù)通過。

2）通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該橋在原設(shè)計(jì)狀態(tài)下符合原設(shè)計(jì)規(guī)范要求。但在邊界條件發(fā)生改變（伸縮縫堵死）時(shí)，梁體在平面內(nèi)成為“兩鉸拱”。在溫度及車輛荷載作用下，支座處梁體徑向力大于摩阻力，梁體發(fā)生橫向偏位。

3）研究了板式支座更換為盆式支座、獨(dú)柱墩墩梁固結(jié)兩種加固方案。前者結(jié)構(gòu)內(nèi)力及支座反力變化不大，梁體離心力降低了23%～56%。后者5#墩頂裂縫寬度驗(yàn)算及墩柱承載能力驗(yàn)算均不能通過，因此，板式支座更換為盆式支座的方案結(jié)構(gòu)受力更為合理。

[1]宮平,胥金彪.深圳某立交N4匝道橋梁體轉(zhuǎn)動分析和加固介紹[J].特種結(jié)構(gòu),2001(4).

[2]何柏雷.“太陽把橋曬跑了？”深圳某立交A匝道橋事故分析[J].城市道橋與防洪,2002(2).

[3]丁漢山,劉華,等.淮揚(yáng)公路高架橋南立交側(cè)向限位設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè),2003(12).

[4]劉其偉,茹毅,等.新舊混凝土連續(xù)箱梁拼接橋梁端橫向位移分析[J]施工技術(shù),2015(16).

[5]張偉.彎梁橋的加固施工[J].橋梁建設(shè),2001(4).