曲線梁橋橫向偏位機理及糾偏研究

林南昌 （溫州市鐵路與軌道交通投資集團有限公司建設分公司，浙江 溫州 325000）

0 前言

近年來，為了滿足在復雜地形地物環境下交通暢通以及對各個方向實行交通連接，高架曲線梁橋得以廣泛應用[1]。我國早期修建的曲線梁橋由于施工條件、施工工藝等原因在運營一段時間后梁體常會出現橫向和徑向位移，其中由結構因素和外部因素引起的梁體橫向位移尤為顯著，也稱之為橫向爬移。曲線橋梁由于受荷載影響和設計不合理等因素引起的梁體橫向爬移對橋梁的運營安全產生了巨大的影響[2]。因此，為保障交通運輸安全，應該盡快從設計上解決曲線梁橋的橫向偏位問題以及對已經出現橫向偏位的橋梁及時進行糾偏。

1 曲線梁橋的受力特性

1.1 彎-扭耦合

由于曲線梁橋的整體重心偏向弧線外側，所以梁體存在偏心距。梁體在承受豎向彎曲的同時，由于受曲率的影響也會產生扭轉，而這種扭轉又將導致梁體的撓曲變形，這種彎曲和扭轉的相互作用稱為“彎扭耦合”作用[3]。圖1是曲線梁橋扭矩機理圖。

1.2 曲線梁橋受力的空間性

在同樣荷載下，同等跨徑的曲線梁橋比直線橋的豎向撓度要大，且曲線梁橋的外邊緣撓度要比內邊緣大；曲線梁橋外側主梁的內力比內側主梁要大，內外側主梁存在應力差[4]；為防止橋梁結構發生扭轉，保持全橋穩定，與直線橋相比，曲線梁橋的橫梁剛度較大；曲線梁橋的支反力有外側增大，內側減小的趨勢，內側在特殊情況下支反力可能是負值；曲線梁橋為防止因橋梁結構徑向和橫向位移而導致橋墩內力增大或開裂，曲線梁橋的橋墩常設置柔性墩。

圖1 曲線梁橋扭矩機理圖

2 曲線梁橋偏位成因分析

2.1 結構因素

曲線橋梁的偏位是橋梁結構自身和外界因素共同作用的結果[5]，其結構因素如下。

2.1.1 梁體自重

對比截面形式相同的直線橋和曲線橋，后者的恒載中心曲線偏向外側，導致梁體有向外側扭轉的趨勢，梁體外側的支座反力和撓曲變形比內側要大。在汽車荷載、地震等活載作用下極容易發生梁體偏位。

2.1.2 曲率半徑

曲率半徑的存在是使曲線梁橋產生偏位的主要原因。曲線梁橋在荷載作用下會產生彎扭耦合作用，且曲率半徑大小與橋梁彎扭耦合作用成反比例關系，彎扭耦合作用越明顯，橋梁偏位越大。

2.1.3 支撐與支座形式

因曲線梁橋的重心較中心線會向外側偏移，因此曲線梁橋的支座通常會設置一定的偏心，而支座偏心對曲線梁橋的橫向位移有較大的影響，尤其是固定支座的擺放位置對橋梁的整體位移影響十分顯著[5]。

2.2 外部因素

2.2.1 溫度

對于曲線梁橋，在各種荷載工況組合下產生的彎扭耦合都會使梁體產生橫向位移，這其中由溫度變化引起的梁體橫向位移最為顯著。梁體在伸縮縫破壞的情況下，溫度變化會使橋梁的橫向位移急劇增大[6]。溫度作用下的梁體橫向偏位機理如圖2所示。

圖2 梁體橫向偏位示意圖

2.2.2 車輛荷載

由于曲線梁橋特殊的線性構造，橋梁在運營時不僅會受到車輛重力、沖擊力、制動力的影響，還會受到汽車徑向的離心力的影響。徑向離心力會使得梁體橫向偏位，當梁體橫向偏位之后，受支座摩擦力的影響，在汽車荷載消失后，梁體會產生殘余位移。車輛荷載作用下的梁體橫向偏位機理如圖3所示。

圖3 車輛荷載作用下的梁體橫向偏位示意圖

除上述因素外，還存在設計時考慮不周、施工質量有欠缺及養護管理不完善等因素以及偶然的地震作用也會導致曲線梁橋產生不可恢復的橫向偏位。

3 曲線梁橋橫向偏位對橋梁結構影響

曲線梁橋相比直線梁橋具有明顯的空間受力特性，在荷載作用下橋梁結構會出現“彎扭耦合”現象[7]。這種特殊的受力特性和變形特性使得橋梁容易出現下列幾種病害。

①支座脫空：曲線梁橋在荷載作用下會出現扭矩，若梁體扭矩過大會導致橋梁內側支反力出現負值，從而導致梁體支座的脫空。支座脫空后梁體受到的約束會急劇減小，這將導致梁體的橫向偏位進一步加大。

②主梁側翻：曲線梁橋在車輛荷載、溫度荷載、支撐方式以及混凝土收縮徐變等影響下，梁體產生橫向位移，從而造成梁體存在不利于結構的向外偏心。在偏心作用下，恒載導致的梁體向外翻轉的扭矩變大，最終產生主梁梁體側翻[8]。

③下部結構破壞：梁體在偏位的時候同時帶動支座一起產生滑移，在汽車荷載的反復沖擊下，蓋梁、墩柱將出現疲勞破壞而產生裂縫，破壞機理如圖4所示。

圖4 沖擊荷對墩柱影響示意圖

④伸縮縫發生破壞：發生橫向偏位的梁體可能只是部分主梁，發生橫向偏位的梁體與沒有偏位的梁體存在相對移動，導致伸縮縫發生破壞。

4 曲線梁橋糾偏措施

曲線梁橋發生病害的主要原因在于兩個方面：一是設計理論上曲線連續梁橋實用計算方法目前還不夠全面、不夠統一，以及對曲線連續梁橋的受力特性及支撐約束條件的認識還存在不足；二是施工方法局限性以及對預應力張拉操作過程控制不嚴。故為盡量避免出現曲線梁橋出現偏位，對于新建橋梁應從設計上進行優化；對于已經出現橫向偏位的橋梁，應采取糾偏措施進行復位。

4.1 設置側向限位裝置

4.1.1 支座外移

為了減小因荷載作用導致的曲線梁橋的橫向偏位，對于雙支座曲線梁橋來講，可以通過將橋梁外側支座向外移動，內側支座向內移動的方式增大兩個支座間的間距；對于單支座曲線梁橋可以將支座向外側移動來抵消橋梁中跨部分橫向扭矩。

4.1.2 設置彈性側向支撐

曲線梁橋的彈性側向支撐一般設置在梁端梁體與擋塊之間，彈性支撐的設置增大了橋梁墩臺的柔性，有效的協調了橋梁縱向各墩臺間的剛度，減小了梁端支座的支反力，進而減小了曲線梁橋的橫向位移[9]。

4.2 梁體頂升平移

梁體復位常用頂升和頂推復位相結合的方法，首先利用同步頂升系統對梁體豎向頂升，解除梁底支座約束，并將梁體置于臨時墩上，然后利用頂推系統對梁體進行橫向復位頂推，更換支座后再將梁體精準降落至初始位置。目前常用PLC液壓同步頂升系統[10]，該系統可通過力和位移綜合控制來保證頂推精確就位。具體操作可分為以下四個步驟。

4.2.1 頂升梁體

首先在需要頂升的位置處搭設支撐系統，可利用橋梁自身的蓋梁、墩頂或者在橋墩上安裝鋼抱箍作為支撐系統，然后在支撐系統上設置作業平臺，再在作業平臺上布置頂升系統。整個支撐系統和作業平臺都應經過嚴密的整體穩定性和局部應力計算，避免在頂升過程中平臺出現傾覆和局部破壞。

然后采用PLC液壓同步頂升系統將整個梁體垂直頂起后放置在臨時支墩上。在頂升過程中應實時監控梁體被頂部分的壓力和位移變化，動態調整各個頂點的壓力，使得梁體實現同步頂升的同時各頂點的負載均衡，保證頂升過程中的安全。

4.2.2 梁體頂推平移/復位

橫向頂推復位之前應準確計算橫向和豎向頂推力，在曲線內側應設置水平千斤頂作為橫向限位裝置，通過在臨時墩頂設置橫向滑道實現梁體復位。頂推復位過程中應做好實時監控工作，當監測到的各項指標與理論值相差過大時應及時停止并檢查原因，排除后方可繼續頂推[5]。同時，整個頂推過程應遵循邊頂推邊復核的原則，避免出現頂推過量或頂推不到位的情況。

4.2.3 更換支座

當解除梁底支座約束，并將梁體置于臨時墩上之后，檢查原有支座是否損壞，對剪切變形超限或者老化等出現損壞的支座進行更換，保證支座型號和擺放位置符合設計要求。

4.2.4 落梁

橫向頂推復位后，采用豎向千斤頂將梁體支撐起來，拆除橫向滑道，然后將梁體精準落至永久墩上，再拆除臨時輔助墩、支撐架等臨時施工設施。臨時限位設施也可不拆除，留在墩上作為永久防偏設施。

4.3 加固獨柱固結墩

通過在原固結墩兩側增設接柱而形成多柱支撐來抵消主梁產生的扭矩[11]。一般對于一聯只有一個固結墩的曲線梁橋，在對橋梁進行加固時要對該固結墩進行加大加強處理。

5 結論

①曲線梁橋由于其特殊的空間受力特性，在溫度荷載和汽車荷載下會產生橫向偏位，進而導致曲線梁橋出現支座局部脫空、主梁側翻、橋梁下部結構以及伸縮縫破壞等一系列病害，這將給橋梁的正常運營造成極大的影響。

②通過增大梁體整體抗扭剛度、增設彈性限位裝置以及設置合理的支承體系等這幾方面對曲線梁橋進行優化設計以減小梁體橫向偏位。

③可采用加固獨柱固結墩方式減小曲線梁橋產生的扭矩，有效地控制梁體的橫向偏位；對于已經出現橫向偏位的曲線梁橋，可采用PLC液壓同步頂升系統將梁體頂升復位。國內多個工程實踐證明，該技術具有顯著的工程應用價值。