曲線梁橋常見病害分析及處治措施

陳 航

(1.福建省交通科研院有限公司； 2.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州 350004)

在現代橋梁工程中，特別是在立交樞紐工程、高架橋工程及山區高速公路中， 橋梁設計需服從路線基本走向要求，不可避免地要采用曲線橋梁。由于曲線橋在平面外形上的特性， 使曲線橋的質量重心通常是位于桿軸線兩端連線之外，這就造成即便桿件只承受自重荷載，結構除產生彎矩外，還會產生扭矩[1]，曲線梁橋的受力特點為彎扭耦合。 由于曲線橋受力狀態為彎曲與扭轉耦合存在，使得曲線橋常見病害為曲線內側支座脫空、梁端側向爬行[2]。 以下結合一曲線橋梁的支座脫空、梁體橫向爬行病害實例，分析曲線梁橋的受力特點，總結病害原因，提出處治措施及曲線梁橋的設計建議。

1 案例概況

某高速公路匝道橋如圖1 所示， 平面處在R=55 m的圓曲線范圍內，橋跨組合為(18+4×20+18)m，上部結構為現澆預應力砼連續空心板梁，空心板梁高1.2 m，頂寬9.0 m、底寬4.5 m，采用40# 混凝土；下部結構為鋼筋混凝土實心單柱式、雙柱式墩，鋼筋混凝土鉆孔灌注單排樁基礎；鋼筋混凝土肋式臺，鋼筋混凝土鉆孔灌注單排樁。采用球型支座， 支座布置為0 號、3 號、6 號支點為雙支座，支座橫向間距0 號為3.9 m，3 號、6 號為3.25 m；其余為單支座， 支座布置于梁中心線向曲線外側預偏心的20 cm 處。

圖1 匝道橋橋型及結構斷面及支撐示意(單位：m)

主要病害為0 號臺、6 號墩支座滑移，滑移量逐年增大，即梁端側向爬行(表現為伸縮縫出現上下錯位，如圖2所示)，同時0 號臺和6 號墩上曲線內側支座出現脫空。

圖2 伸縮縫處標線錯位

2 受力及病害分析

2.1 受力分析

曲線橋梁的特點是空間受力， 其平面彎曲對彎矩和剪力的影響不大，但對扭矩有較大的影響。曲線橋梁所承受的荷載，包括恒載、預應力荷載、活載、溫度荷載等均能產生扭矩(圖3)，扭矩由跨間傳向支點，如果中間設獨柱墩，則扭矩傳遞到相鄰跨。

圖3 曲線梁橋扭矩示意

案例橋梁采用MIDAS 空間程序進行計算，以支座脫空及梁端側向爬行病害最為嚴重的6 號墩作為研究對象， 分三個工況分別計算各個荷載單項及荷載組合在6號墩處梁端的扭矩、剪力及支反力結果，其計算見表1～3。

工況一：單支點支撐于空心板中心線，雙支點0 號墩間距3.9 m，3 號、6 號間距3.25 m；

工況二：原設計工況，即單支點向曲線側偏移20 cm，其余與工況一同；

工況三：6 號雙支點的曲線外側支點外移0.5 m，其余與工況一同。

表1 工況一計算結果

表2 工況二計算結果

表3 工況三計算結果

綜合表1～3，可得出如下結果：

⑴在原設計狀態即工況二，6 號墩內弧側支點荷載最小組合值為負反力， 表現為夏季白晝午后高溫時期出現支座脫空現象，與檢測報告及現場觀測結果相吻合。

⑵引起曲線橋梁內弧側支座產生負反力的荷載主要是結構自重、預應力二次矩、截面豎向梯度升溫及汽車的偏載作用。

⑶單支點設置預偏心、雙支點外弧側支點外移，都可以降低內弧側支點的負反力， 但是單支點設置預偏心僅對自重及汽車偏載有效果，對預應力二次矩、截面豎向梯度升溫兩種荷載基本無效， 而外弧側支點外移對4 種荷載均有降低負反力的效應。

⑷根據梁端分離體受力平衡及表1～3，引入e1、e2參數，對于單項荷載可得到方程如下：

式中：T 為 梁端扭，Q 為 梁 端 剪 力，F1、F2分 別 為 曲 線內外支點反力，e1、e2分別為曲線內、 外支點至梁中心線距離。

對于給定的橋梁結構及運營使用狀況， 梁端的扭矩T 和剪力Q 可近似看成定值，根據式(1)及式(2)，要使曲線內側支反力F1不出現負反力，調整支座中心線至梁中心線距離是行之有效的方法。

2.2 病害分析

造成曲線橋的側向爬行病害的原因主要有： 汽車荷載和支座脫空。 汽車在曲線橋上行駛過程產生的離心力使橋梁承受向曲線外側的徑向力。 物體的熱脹冷縮使曲線橋梁在夏天升溫時向外側移動， 冬天降溫時向內側移動；因扭矩作用下，有向曲線外側扭轉的趨勢，使得墩頂有向外側的轉角，當轉角大到一定程度，即出現曲線內側支座脫空，按設計支座安裝要求其頂面應為水平的，如梁體扭轉引起支座脫空， 按本案例脫空3 cm、 支座間距3.25 m 計， 使得受壓支座頂面的向曲線外側傾斜度在不考慮支座壓縮情況下增量接近1%，在重力作用下，向下移動容易，向上移動困難，與汽車荷載的徑向力疊加，長期運營后就造成向曲線外側的爬行。

3 加固方案及加固效果

根據對曲線橋梁的受力分析， 其加固方案采用加長端橫梁外側的長度，將聯端的外弧側支座外移。 6 號墩加固措施為曲線外側支座距箱中心線e20=1.625 m， 往外側移動0.8 m，檢測報告梁體向外爬行9.5 cm，外側支座調整后距箱中心線為e2=2.33 m；內側支座未調整，距箱中心線為e1=1.72 m，并增設橫向限位擋塊。 通過計算得到內弧側支座組合最小支反力為230 kN， 支座承受壓力，不脫空；從后期運營情況看，梁體的爬行未出現增量。

4 結論

曲線梁橋因受力特點為彎扭耦合， 這就決定曲線梁橋的常見病害為內弧側支座脫空及梁體橫向爬行。 經分析，內弧側支座脫空會加劇梁體的橫向爬行，故在曲線梁橋的舊橋病害處治或新橋的設計中， 保證內弧側支座不脫空是減少橋梁病害產生的關鍵。

引起內弧側支座脫空的荷載類型有結構自重、 預應力二次矩、截面豎向梯度升溫和汽車荷載4 種，單支撐設置預偏心只能抵消結構自重和汽車荷載產生的扭矩，雙支點間距的調整則對4 種荷載產生的扭矩均可抵消，在曲線梁橋設計時，若條件允許宜按雙支點設計。

超靜定結構曲線梁橋的預應力二次矩是引起內弧側支座脫空的因素之一，設計時宜合理設計預應力布束，預應力布置不宜過強。