某高速公路連續彎梁橋側向滑移病害成因分析與處治

■陳旭棟

(福建省高速公路集團有限公司福州管理分公司，福州 350001)

0 引言

由于路線線形方面的要求，在高速公路匝道橋梁的設計中，混凝土連續彎梁橋是十分常用的結構形式。但是，連續彎梁橋在運營通車過程中，由于彎梁橋自身結構特點和外部因素的影響，會產生側向滑移，并且隨著各種因素的不斷反復作用，連續彎梁橋發生的側向滑移不能夠完全恢復，存在不可恢復的殘余滑移并不斷擴大。此類病害嚴重地影響了彎梁橋的安全性能。某高速公路匝道橋在定期檢測時發現了較為嚴重的側向位移病害，存在安全隱患，需進行加固處理。

1 橋梁病害情況

圖1 橋型布置圖

某高速公路匝道橋為預應力混凝土連續梁橋，全長119.0m，橋跨結構：18.0+4X20.0+18.0m，中心線曲率半徑R=55m，坡度+3.281%。上部結構為現澆預應力混凝土連續梁，下部結構為鋼筋砼單柱式和雙柱式墩，鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。標準斷面為橋面寬度8.0m+2×0.5m防撞護欄，全寬9.0m。現澆空心板直腹板截面，空心板高1.2m，空心板底寬4.5m，兩側翼緣板寬各為2.25m。支座為球形支座，其中3#為固定支座，其余均為雙向活動支座。

在橋梁定期檢查時發現整座橋梁除3#墩的固定支座外的其余支座、梁體都產生了不同程度的徑向及切向滑移現象，滑移量最大的為6#墩的內側支座處，梁體徑向滑移量達7cm，而切向滑移量也達到了5cm。經過2年監測后發現，該橋的滑移現象呈持續發展的狀態，6#墩處徑向最大滑移量達到9.5cm，切向最大6.0cm，同時發現0#臺和6#臺的內側支座都出現了脫空現象。統計數據如表1、表2：

表1 背景橋徑向滑移情況統計表

表2 背景橋切向滑移情況統計表

圖2 背景橋支座滑移示意圖

橋梁定檢時同時發現梁體的裂縫有縱向裂縫30條，總長86m，主要分布在第2～6跨梁梁底；斜向裂縫26條，總長18m，主要分布在第1跨梁底。豎向裂縫1條，總長1m，在第3跨梁左側腹板。第6跨腹板發現1條斜向裂縫，縫長0.5m。已采用裂縫灌膠和裂縫封閉等方法對裂縫進行修補，實測混凝土強度滿足設計要求。監測后發現并無修補后開裂延伸現象。

墩身總體情況較好，并未發現裂縫。且墩身周圍并無外界荷載的影響。墩身豎直度順橋向偏移量最大的是6-1號墩身，豎直度為0.22%。墩身橫橋向偏移量最大的是4號墩，豎直度為0.27%。本橋墩身橫橋向和順橋向豎直度均滿足規范值0.3%。

2 彎梁橋側向滑移的成因分析

2.1 曲率半徑

曲率半徑是造成彎梁橋側向滑移的主要因素之一。對鋼筋混凝土和預應力混凝土彎梁橋，曲率半徑會顯著影響同一排墩(尤其是交接墩臺)處內、外支座豎向支反力分布，曲率半徑越小，內、外支座豎向支反力的不均勻程度越大，梁端的徑向位移就越大，且其影響程度隨跨徑增大而增大。本橋的曲率半徑僅為55m，極易產生側向滑移。

2.2 支座的布置形式

支座的布置形式是影響彎梁橋側向滑移的內在因素，支座的布置形式直接影響全橋的內力分布，合理的支座布置形式可以承受橋梁自重和車輛活載、溫度等因素所形成的“彎扭耦合”作用，限制結構的側向滑移。通過調研，我省高速公路常用的彎梁橋支座布置方式包括以下6種，如圖3所示。現有滑移的彎梁橋普遍存在未設置預偏心、預偏心值過小或因支座反力過大導致防震擋塊損壞失效等問題。

圖3 彎梁橋6種常見的支座布置方式

2.3 自身重力作用

從本橋的平面圖形上分析，連續曲線梁的外弧長度大于內弧長度，重心必然偏離橋軸線并偏向外側。同時，彎橋梁均會設置橫坡(本橋為8%)，使外側梁自重大于內側梁，加大重心偏離的趨勢。本橋為矩形截面、厚度均勻的空心板梁橋，如圖4所示。它的截面形心就是它的橋梁中心線和剪力中心線。設剪力中心半徑為R0，橋寬為B，截取一片微小梁段，如圖5所示，其平面形狀基本等同于等腰梯形，為便于分析，將此平面形狀視為等腰梯形。由圖5可知橋梁自重的恒載重心相對于彎梁的剪力中心有一個偏心距離。因此，在橋梁自重作用下，彎梁橋橋會有側向滑移的趨勢。

圖4 彎梁橋示意圖

圖5 截取梁段示意圖

2.4 車輛荷載作用

車輛行駛在彎梁橋上，車輛荷載對彎梁橋會產生豎向力(車輛自重)，徑向力(離心力)和切向力(制動力)。對于豎向力而言，按車道行駛的車輛軌跡均為偏心行駛，會使梁體產生扭轉；而車輛行駛的離心力則會造成彎梁橋的徑向滑移。連續彎梁橋的伸縮縫和端部支座極易因車輛行駛的離心力產生剪切變形甚至破壞。當相鄰兩聯橋跨(或橋跨與端部路基)之中只有一聯有車輛行駛通過，且本橋梁體端部采用的是雙向活動支座，這種情況下，梁體的平面內變形不受下部結構形式及支座的約束，此兩聯橋跨的端部就會產生側向位移，該位移會縮短伸縮縫和支座的壽命，甚至產生剪切破壞。并且梁體發生側向滑移后，由于支座的摩擦力和剛度等因素的影響，在外部荷載消失后，側向滑移并不能全部恢復。在高速公路上，車流量大且車輛行駛速度極快，梁端所受的徑向力可以視為是在不斷施加的，隨著荷載長期反復作用，彎梁橋會產生徑向殘余位移的積累，即產生彎梁橋的滑移現象。

2.5 溫度作用

對于小半徑的彎梁橋來說，溫度變化是影響梁體側向滑移的一個比較大的因素。當溫度變化較大時，梁體會發生全弧段的熱脹冷縮，此時，內外弧段的半徑改變而圓心角不變，這種情況下會引起切向位移，同時產生徑向滑移。當彎梁橋在夏季完成施工時，隨著溫度的降低，彎梁橋有向內側滑移的趨勢，這在一定程度上是有利于彎梁橋受力的；當彎梁橋在冬季完成施工時，隨著溫度的升高，彎梁橋有向外側滑移的趨勢，這種情況會加劇梁體的重心向外側偏移，導致彎梁橋處于不安全狀態。

2.6 混凝土的收縮徐變

混凝土的收縮和徐變是同時發生的，收縮徐變主要在結構加載后3年內完成，隨后趨于平緩，發展速率非常緩慢，但會伴隨結構的整個壽命周期。一般來說，混凝土的收縮徐變會影響結構的內力和邊緣線，從而導致結構內力的重新分布和預應力的損失等。由于結構收縮徐變的影響，梁體的內外弧的變形量是不同的，梁體外弧的變形量較之梁體內弧的大，因此彎梁橋的側向滑移將會隨著時間的推移而逐漸增大。

3 加固處治方案

針對本橋的聯端外側支座向外滑移問題及聯端內側支座脫空現象，結合上文的滑移成因分析，提出如下加固處治方案：

3.1 優化支座類型及布置形式，調整預偏心值

針對本橋的聯端外側支座向外滑移問題和聯端內側支座脫空現象，擬采用將脫空支座更換為抗震球型支座，將聯端外側的支座外移，增大支座間距，調整各橋墩支座的預偏心值的修復方法。增大支座間距能增大彎橋的抗扭性能，防止內側支座脫空，具體的調整情況如下：

(1)將 1#、2#、4#、5# 獨柱墩支座向曲線外側橫向位移20cm。

(2)將6#墩外側支座外移32.5cm，同時在連接墩上增設小帽梁，加長端橫梁外側長度；內側支座不調整；0#臺支座不調整。

經過以上支座調整后，應用橋梁計算程序MIDAS/civil計算出各支座支反力如圖6和圖7所示：

圖6 調整后各支座最小支反力(單位：kN)

圖7 調整后各支座最大支反力(單位：kN)

由圖6和圖7可知，調整后各支座支反力均為正值，0#臺內外支座最小支反力分別為218.3kN和266.9kN，比值為 0.82，6#墩內外支座支反力分別為149.9kN和241.9kN，比值為0.62，內外支座支反力比較均衡，能較好地避免支座出現脫空現象。

(3)擴大獨柱墩直徑，對 1#、2#、4#、5# 獨柱墩進行外包20cm后C30混凝土，防止支座滑移后懸空甚至掉落。

3.2 設置側向限位裝置

本橋支座的滑移量處在逐年發展的趨勢中，必須進行限制。根據病害情況，采用設置側向限位裝置的修復方法進行約束，具體如下：

(1)0#臺在梁體與擋塊之間設置彈性側向支承。這種類型是在梁端的主梁與防震擋塊之間安裝柔性材料，設置彈性側向支承，它的工作機理是通過設置彈性側向支承來達到減小墩臺剛度的目的，這樣，不僅可以減小梁端的支承反作用力，而且可以協調橋墩和橋臺的剛度，減少曲梁橋的橫向滑移。如圖8所示。

圖8 橋臺(蓋梁)處設置彈性側向支承示意圖

(2)6#墩在主梁和蓋梁間設置鋼結構限位裝置。這種構造是在主梁底和蓋梁之間設置鋼結構限位裝置，使得梁體的平面內變形受到支座及其橋墩的約束，利用下部結構的平面抗推剛度來降低梁體的側向滑移，也利用下部結構的柔度來適應梁體的側向滑移，達到梁體和橋墩的共同變形。如圖9所示。

圖9 主梁底與蓋梁間設置鋼結構限位裝置示意圖

3.3 監測措施

由于本橋結構為連續梁結構，梁體頂升時會引起橋梁內部應力的變化，因此在頂升時必須要有相應的監測措施，分為應力監測和位移監測兩大指標：

應力監測在在梁體受力截面安裝混凝土電阻應變計，并在裂縫處貼上電阻裂縫計，觀測裂縫的發展情況。監測范圍為各個頂升階段的橋跨及其受本階段影響的兩邊跨。位移監測是在每一個頂升處監測梁的頂升高度。在頂升處的蓋梁上用油漆標記，在橫梁上垂直安裝高精度的鋼卷尺，以便控制梁體頂升的速度和高度。

3.4 裂縫及伸縮縫修復

梁體裂縫寬度小于0.15mm的裂縫直接采用表面封閉處理，裂縫寬度大于0.15mm的裂縫采用壓力灌漿法加固處理。由于梁體滑移造成兩條伸縮縫型鋼斷裂，已全部更換。

經加固處治后，本橋至今未再發現橫向位移，證明本加固方案有效地遏制了主梁橫向滑移的發生，成效較好。

4 結語

曲梁橋的曲率半徑、支座布置、靜載、車輛荷載、溫度變化和混凝土收縮徐變等都會引起曲梁橋的滑移現象。其中離心力是曲線梁橋滑移的主要原因。所以，在曲線梁橋的設計過程中，應盡可能采用較大的曲率半徑曲線。其支座類型和布置形式應綜合考慮橋梁自重、車輛荷載及溫度等各因素產生的彎扭耦合作用，并結合曲率半徑，上、下部結構的總體布置形式來確定支座布置形式。還可以采用適當的方法設置合理的支座預偏心值。同時盡可能的選擇收縮和徐變較小的原材料及合理的配合比，也是減少彎梁橋側向滑移的有效手段。并應計算不同季節施工的溫度變化對彎梁橋爬移的影響程度，以有效預防彎梁橋滑移現象的發生。