山區鋼筋混凝土曲線梁橋典型病害分析

李 毅 海大鵬 張 健 況月超 王小強

（中國建筑第七工程局有限公司，河南鄭州 450000）

曲線梁橋的空間布置能靈活適應蜿蜒崎嶇的山區公路線型，不因山區地形復雜而被限制，在必要地段采用曲線梁橋，可減小展線長度，獲得相應的經濟效益。特別是上部結構為鋼筋混凝土板的曲線梁橋，以其截面形式簡單、建筑高度低、施工方便、用材經濟等優點，廣泛應用于跨度較小、彎度較大的山區公路。曲線橋梁在運行過程中，上、下部構件不斷出現各類不同程度的病害。我國經濟發展迅速，重載車輛不斷增多，山區晝夜的大溫差使混凝土產生較大收縮變形。橋址地區偏遠、交通不便，無法及時有效對橋梁進行管養，間接導致了病害的不斷加重。橋梁設計者在最初設計階段考慮的重點是強度，從設計角度出發對耐久性的考慮相對較弱，多是提出加強結構施工過程中的質量控制和保證以及例行檢查與后期維修等建議。橋梁使用過程中的性能表現是橋梁生命周期中最重要的，在荷載和環境因素的共同作用下，滿足設計強度要求的橋梁使用壽命依然較短，對橋梁的運營安全造成隱患，影響橋梁自身結構的安全[1]。應結合彎曲梁橋力學特征及橋址特點，對既有山區曲線橋梁的病害進行深入分析，為此類橋梁耐久性設計和病害事故預防措施提供參考。

1 工程概況

該橋位于某山區二級公路線上，橋梁全長213.3 m，橋寬11.5 m，跨徑13×16.0 m，修建于2009年。橋梁上部主要承重結構為4聯現澆連續鋼筋混凝土板。全橋支座采用板式橡膠支座，每個橋墩或橋臺上均勻布置7個，全橋共計98個支座。全橋墩臺均為鋼筋混凝土結構，橋臺為重力式結構，橋墩為雙樁式橋墩。橋梁平面位于一段小半徑圓曲線和一段長緩和曲線上，縱斷面位于凸形曲線上。

2 橋梁典型病害分析

2015年經有關部門檢測后對梁板底部大量橫向裂縫進行了封閉處理，將橋面兩側鋼筋混凝土格柵式護欄更換為鋼格柵式護欄。橋梁各部位再次出現的病害，對橋梁上、下部構件進行編號，巫山側為編號起始端，如圖1所示。

圖1 橋梁構件編號

2.1 上部結構典型病害

全橋梁板兩側腹板表層局部存在細小網狀裂縫。梁體除了位于圓曲線與緩和曲線相交處的一段近似直線的第8、9兩跨外，其余各跨均存在明顯向曲線梁外弧側“橫向爬移”的現象，且梁板與擋塊完全抵死。20個支座橡膠板輕微外鼓，37個支座橡膠板有明顯的剪切變形，曲線外側支座占96%。

2.2 下部結構典型病害

9#、10#、11#蓋梁位于小曲線段，左側（以巫山至巫溪為行進方向）即外弧線側擋塊局部破損，且均存在1條延伸至蓋梁的豎向裂縫，最大縫寬2.5 mm，如圖2所示。

圖2 橋墩蓋梁擋塊局部破損、豎向開裂

第1跨橋位處地面存在大量泥土、雜物堆積，墩柱周圍邊坡覆土松散，存在側土壓力不均現象，如圖3所示。

圖3 第1跨橋位處地面現狀

2.3 橋面系典型病害

裂縫分布如圖4所示。

圖4 橋面鋪裝病害分布（單位：m）

橋面表層水泥混凝土鋪裝破損，局部形成坑槽，面積約0.08 m2，橋面共有5條縱向裂縫，總長達60.6 m，最大縫寬為2 mm。全橋5道伸縮縫均被沉積物嚴重堵塞，個別伸縮縫兩側保護帶混凝土局部開裂。

3 曲線梁橋力學特征

曲線梁橋是一類全橋或部分橋位于圓曲線或緩和曲線上的橋梁，與直橋相比，彎曲梁體在曲率影響下力學特性更復雜。彎曲梁體的重心偏向外弧線側，車輛從橋上通過時，存在偏心距的主梁截面在豎向荷載的作用下同時產生彎矩和扭矩，使梁體既在彎矩影響下產生豎向撓曲變形又在扭矩影響下產生沿徑向指向外弧線側的扭轉變形。彎道處的支座反力受到曲率影響外弧線側增大，內弧線側減小，反力差促進了梁體扭矩的產生，使截面處于“彎-扭”耦合作用狀態，此時主梁截面內弧側主拉應力比相應的直梁橋大，內梁可能產生負彎矩，支座可能出現受拉或脫空現象，靜荷載值與曲率半徑的大小呈正相關，曲率半徑越小負反力越容易產生[2]。

曲線橋梁下部結構受力情況同樣非常復雜，彎道處每個墩柱受到垂直方向的力可能各不相同，特別是上部梁體產生較大扭矩時，靠內弧側墩柱可能受拉。墩頂不僅承受汽車制動力、溫度力、地震力等帶來的水平力，還因為彎梁曲率的存在，承受離心力和預應力張拉時產生的徑向力[3]。

4 病害成因分析

4.1 上部結構病害成因分析

梁體“橫向爬移”的主要原因是設計階段沒有充分結合曲線橋梁的特性合理設置梁端橫向約束，運營過程中受梁體自身恒載效應、混凝土收縮徐變和溫度作用以及受行駛車輛影響等多種因素的影響發生偏移。

梁體自身恒載效應的影響，恒載作用下梁端內外弧側支座反力分配不均勻，梁體內弧和外弧底部的支反力值之差隨曲率半徑的減小而增大，且內弧側支座的豎向支反力變化的幅度逐漸增大。在不同的曲率半徑下，曲率半徑越小，梁體沿徑向向外弧側扭轉的程度越明顯，邊跨最明顯。

混凝土收縮徐變和溫度作用的影響，曲線梁在溫度作用下產生弧段膨脹性位移，即圓心角不變，弧段的半徑向外側增大[4]。混凝土是熱的不良導體，不隨著溫度的上升或下降而膨脹或收縮，相應的混凝土構件必定在升溫或降溫時產生伸長或縮短現象。溫度升高后，梁體因混凝土膨脹而向外偏移，溫度降低后，梁體卻無法快速恢復到原位，在循環溫差反復作用下，長此以往偏移不斷增大。

行駛車輛對曲線橋梁上部結構病害的影響，車輛行駛在曲線段，特別是小半徑圓曲線上時，梁體將受到車輛自身重力、離心力和制動力等作用力。在這些移動荷載或沖擊荷載的反復作用影響下，梁體的橫向變形無法完全、及時地恢復，隨著時間的推移，變形逐漸被積累，導致曲線段梁體產生明顯的“橫向爬移”，梁板開裂，梁下支座剪切破壞。內外兩側梁下支座的反力有時相差較大，汽車荷載偏置時，偏心的豎向荷載過大，導致外弧側支座壓縮變形，內弧側梁體可能產生負反力，導致支座出現與梁體脫空的現象。

4.2 下部結構病害成因分析

設計規范沒有明確給出墩頂局部受力發生變形和裂縫的限值，墩柱混凝土開裂問題尚未成為設計控制指標，且多數設計單位采用標準圖，配筋數量不能滿足實際要求而開裂。

對于混凝土曲線連續梁橋，同一墩柱內外側支座反力有較大差距，各墩柱也會承受較大差異的豎向作用力。橋梁下部結構的水平力作用中，除了車輛制動力作用、溫度變化引起的內力作用、地震力外，還額外受到汽車離心力以及預應力作用在側向產生的水平力。在荷載長期反復作用下混凝土的徐變將導致混凝土的力學性能下降，混凝土材料的低周疲勞條件下抗拉強度的降低，裂縫容易出現和發展[5]。由于彎扭作用，彎梁產生較大的扭轉變形，主梁外側豎向撓度大于內側，梁體在端部截面上可能會出現翹曲現象。9#墩位于小半徑圓曲線段，在溫度應力、車輛離心力及車輛偏載等作用下，上部結構易出現向曲線外側“爬移”現象，梁板在橫向位移與擋塊抵死現象出現后，梁板“爬移”仍繼續緩慢發展擠壓擋塊致使擋塊開裂。經調查發現該橋左側經常有重載車輛通過，且全橋伸縮縫均不同程度堵塞，考慮蓋梁裂縫可能是車輛荷載作用以及伸縮縫不正常伸縮引起。梁板在不均勻荷載作用下產生應力集中使梁體變形，伸縮縫堵塞導致變形受到限制，此時蓋梁承受瞬時荷載超過抗拉強度而開裂。

該橋跨越溝壑，橋位處河床未設鋪砌，第1跨橋位處存在大量雜物堆積，本橋橋位處右側存在1處滑坡體，2018年檢測后對本橋周圍滑坡體底部采用擋土墻進行了加固整治，本次檢測時無相關的異常現象，無進一步滑塌的跡象，但墩柱的位置邊坡覆土比較松散，還存在側土壓力不均的現象，導致橋墩產生較大的側向變形，產生裂縫，情況嚴重甚至可能發生橋墩傾倒。

4.3 橋面系病害成因分析

橋面鋪裝層出現裂縫、破損的原因可能是施工過程中環境變化不均，在超載車輛的活載作用下，橋面板的撓度有所增大，特別是豎向變形增加。超載超過一定范圍時，橋面鋪裝混合料在橋面板撓度的影響下變形較大，超載現象反復出現導致面層破損。

5 結語

通過對典型山區曲線梁橋的病害調查及病害成因分析，發現山區曲線梁橋由于運營條件復雜、管養力度較弱，極易產生梁體側向移動、支座破壞等病害，必須加強對其用階段耐久性重視程度，從設計最初階段就充分結合線路實際情況模擬使用階段各類荷載對橋梁耐久性的影響，制定合理應對措施。施工和后期運營方面均應提前制定合理的質量安全管理規劃和實施方案，從根本上保證山區曲線梁橋生命期內的工作質量。