彎橋偏位和爬移典型案例和機理研究

李翠華，劉苗苗，彭衛兵，朱志翔

（浙江工業大學土木工程學院，浙江杭州 310014）

引言

目前彎橋上下部結構位移方面的病害研究很多，但都集中在影響因素和糾偏措施方面，缺少對病害科學系統的分類。本研究在調研國內多座彎橋位移案例后，將彎橋在上下部結構之間相對位移方面的病害分為2大類：偏位和爬移，并給出兩者定義：偏位指在施工誤差和墩柱傾斜作用下上部結構和下部墩柱發生了相對位移，包括剛體位移和變形體位移；爬移指在溫度和離心力作用下上部結構發生橫橋向不可恢復的位移，每類模式下都對應幾個典型工程案例進行詳細分析，說明此模式機理。然后選取某案例橋進行數值模擬分析，由于支座是連接上部結構和下部結構的部分，如果支座脫空，說明上下部結構發生了相對位移，而梁體中點和端點的位移可以說明上部結構是否發生了變形體位移。因此通過分析支座反力和中點端點徑向位移隨各因素變化而變化的情況，可以說明各外界因素對偏位和爬移的影響，為后續彎橋位移方面的病害分析提供參考。

1 偏位模式典型案例分析

經過對多個案例的分析總結，將彎橋偏位分為3類：上部結構梁體偏位、支座偏位、墩柱傾斜，均為剛體位移。以下通過4個案例橋對以上3種偏位模式進行詳細說明。

1.1 上部結構梁體偏位

廣東某高速公路匝道橋［11］第一聯和第二聯橋跨組合為4×20 m＋（30 m＋40 m＋30 m），雙向四車道，橋面寬16 m。上部結構第一聯為鋼筋混凝土連續箱梁，位于半徑為120 m的圓曲線上，第二聯為預應力混凝土連續箱梁，部分位于半徑為120 m的圓曲線，部分位于緩和曲線段和直線段上。在一次橋梁健康監測中發現，第一聯2#固定墩和第二聯6#固定墩兩側箱梁分別發生了向內和向外的徑向位移，而固定墩本身并未發生任何位移，具體徑向位移如圖1所示。其中0#臺上的伸縮縫頂死，4#墩支座滑板滑出鋼盆40～50 mm。從偏位圖可以看出，第一聯和第二聯分別繞2#和6#墩發生了轉動。將某段梁體在橋面所在平面內圍繞某一橋墩順時針或逆時針轉動的病害可歸納為上部結構梁體偏位。

圖1 某匝道橋平面布置及偏位示意圖Fig.1 The layout and deviation schematic diagram of a ramp bridge

不論直橋還是曲線梁橋，只要有相同的結構缺陷，如支座設置不合理、切向約束力不足等，都會發生切向偏位。因此，為更直觀的表達此類偏位，采用某匝道橋直線聯的縱向平動作為切向偏位。浙江某互通7號橋第二聯為等截面預應力混凝土連續箱梁，左半幅配跨為21 m＋25 m＋23 m，右半幅配跨為23 m＋25 m＋21 m，發生向大樁號方向整體滑移的現象。該聯箱梁5#、6#、8#橋墩盆式支座上鋼板均明顯隨箱梁向大樁號方向滑移，我們將上部整個梁體沿著橋梁縱向移動的病害也可歸納為上部結構梁體偏位，如圖2所示。

圖2 浙江某互通偏位示意圖Fig.2 The deviation schematic diagram of a ramp bridge in Zhejiang province

1.2 支座偏位

支座最大的偏位即支座脫空，長沙市某橋南北匝道除北匝道橋的B3D#～B4D#聯是直橋段外，其余曲率半徑均為50 m。其上部結構均采用整體式現澆箱梁，下部結構每聯兩端的橋墩采用單墩雙支座，支座類型為QZ－1500DX球型單向支座，中間2個橋墩采用單墩單支座，支座類型為QZ－4000GD球型固定支座。其平面布置圖圖3所示。2021年7月28日、29日的檢測中發現，N1X#、N4X#、N1D#、N4D#、B1X#、B4X#、B1D#、B4D#內側支座均已完全脫空，現場典型支座脫空圖如圖4所示，且伸縮縫均出現不同程度的錯位，最大B4X#錯位45 mm，其余支座有不同程度的銹蝕。

圖3 長沙市某橋平面布置及支座脫空示意圖Fig.3 The layout and the bearing disengagement of a bridge in Changsha

圖4 現場典型支座脫空圖Fig.4 Typical bearing disengagement diagram on site

1.3 墩柱傾斜

墩柱傾斜包括橫向傾斜和縱向傾斜，有些彎橋只發生其中一種，有些彎橋兩者同時發生，這與橋梁周邊的土質條件和有無堆土側壓力有很大關聯。某城市曲線高架橋［12］上部結構采用25 m跨徑的預應力混凝土小箱梁，橋面五跨連續。單幅橋面寬度為13.25 m，分左、右兩幅。下部結構采用鋼筋混凝土樁雙柱式橋墩。該橋立面圖和橫斷面圖如圖5、圖6所示。在進行橋梁檢測時發現大部分墩柱嚴重傾斜且部分墩柱出現環向裂縫，各墩柱的傾斜率分布見表1。經統計橫向傾斜率大于3.0‰的墩柱占總體的70%，縱向傾斜率大于3.0‰的墩柱占總體的50‰，其中橫向傾斜率最大達到16.8‰，縱向傾斜率最大達到11.8‰；左幅橋有5個墩柱出現不同程度的環向裂縫；右幅橋有9個墩柱出現不同程度的環向裂縫。

表1 各墩柱傾斜率統計表Table 1 Statistical table of inclination rate of each pier column

圖5 某曲線高架橋立面圖及縱向傾斜示意圖Fig.5 Elevation and longitudinal tilt diagram of a curved viaduct

圖6 某曲線高架橋橫斷面及橫向傾斜示意圖Fig.6 Cross section and lateral tilt schematic diagram of a curved viaduct

墩柱傾斜會加劇橋梁上部結構的偏位，甚至引起橋梁倒塌。經有關部門檢測：該橋周邊的土質疏松、地質條件差、且周邊施工開發了大量堆土。這些條件共同造成了橋墩開裂和墩柱傾斜，此外上部結構橫向縱向位移的帶動也會使橋墩傾斜［13］。

2 爬移模式典型案例分析

發生爬移模式的彎橋梁體存在不同程度的徑向位移，中間徑向位移最大，向兩端逐漸減小，爬移后的梁體曲率半徑減小，發生了變形體位移。以下通過2個案例對爬移模式進行詳細說明。

(6)判斷是否終止 算法的終止條件主要由評價指標和迭代次數決定。量子個體滿足收斂條件或者算法迭代一定次數時終止算法，終止條件可以根據實際情況進行調整。

鄭州某立交橋第一、二、三聯跨徑布置分別為：4×25 m＋3×25 m＋（40 m＋51.5 m＋40 m），上部構造為預應力混凝土連續箱梁，橋寬9.5 m，單向雙車道。2012年9月在對橋梁日常維護時發現1#至9#墩處主梁和支座發生了不同程度的徑向位移，其中6#墩處位移最大為170 mm，整體徑向位移呈現從中間到兩端逐漸減小的弧形，其平面爬移圖如圖7所示，現場典型支座爬移圖如圖8所示。

圖7 鄭州某立交橋平面布置及爬移圖Fig.7 Layout and creeping diagram of an overpass in Zhengzhou

圖8 現場典型支座爬移圖Fig.8 Typical bearing creeping diagram on site

深圳市某立交橋［14］A匝道橋第三聯為6跨預應力箱梁橋，跨徑組合為22.8 m＋35 m＋55 m＋39.9 m＋55 m＋32 m，曲率半徑為255 m，梁端5#、11#墩采用2塊板式橡膠支座，中間除8#墩處采用單向活動盆式支座外其余均為雙向活動支座。該橋在成橋運營2年后，于2000年6月3日左右突發整體徑向位移和轉動事故，第三聯5#、11#墩處支座向外側滑移約180 mm，如圖9所示。滑移發生前沒有任何征兆，是突發性的整體徑向滑移，我們將這種偏位模式定義為徑向剛體平動。經現場檢測得知，第三聯匝道橋除端支座外中間支座均為雙向支座，在外界因素的作用下，很容易發生大幅度徑向位移，導致上部結構整體徑向平動。在外界因素作用下向梁體徑向爬移量逐漸積累，當支座拉力不足以抵擋梁體向外側的偏位時，梁體整體向外側移動，發生徑向剛體位移。

圖9 某立交橋平面布置及爬移圖Fig.9 Plane layout and creeping diagram of an overpass

3 典型工程實例數值分析

為了深入分析彎橋偏位和爬移的主要原因，以長沙市三漢磯大橋B1X#～B4X#聯為背景，采用Midas civil軟件，按照橋梁的實際幾何特征、邊界條件和材料特性，并依據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60－2015）等規范要求建立模型，如圖10所示。對8種工況：恒載、收縮徐變、整體降溫、整體升溫、豎向溫度梯度、橫向溫度梯度、車道偏載、支座沉降單獨作用下的徑向位移和支反力進行初步統計分析，結果如表2所示。

圖10 模型平面圖Fig.10 Model layout

由表2可知，除恒載外，另外7種因素單獨作用下均會使支座產生負反力和向外側的徑向位移。收縮徐變產生的支反力較小且屬于內在因素，在此不再分析。因此通過分析以下4種荷載組合下的支座反力和中點端點徑向位移，明確各因素對彎橋偏位和爬移的影響，4種荷載組合即（1）基本組合＋整體升降溫；（2）基本組合＋溫度梯度；（3）基本組合（包括支座沉降）；（4）基本組合＋車道偏載，其中基本組合包括：自重、鋪裝、欄桿、沉降。

3.1 整體升降溫的影響

根據荷載組合（1），分別計算出整體升降溫10℃、20℃、30℃、40℃、50℃下各支座反力，以點線圖的形式表示，如圖11、圖12所示，中點位移隨整體升降溫變化情況以柱狀圖的形式表示在圖13中。

圖11 各支座豎向支反力隨整體升溫變化Fig.11 Each bearing vertical reaction force changes with the overall temperature rise

圖12 各支座支反力隨整體降溫變化Fig.12 Each bearing vertical reaction force changes with the overall temperature fall

由圖11～圖13可以看出整體升溫使梁體中點產生徑向向外的位移，端部內側支座脫空，支座負反力隨整體溫度升高而增大，整體降溫使梁體中點產生徑向向內的位移，端部外側支座脫空，支座負反力隨整體溫度降低而增大，并且由于曲線梁橋自身曲率的存在，在溫度變化量相同的情況下，梁體中點向外的徑向位移總是大于向內的徑向位移，爬移量逐漸積累，彎橋梁體向外側的位移逐漸增大，導致上部梁體的變形體位移，因此整體升降溫對偏位和爬移均有影響。

圖13 中點徑向位移隨整體升降溫變化及位移差值Fig.13 The midpoint radial displacement changes with the overall temperature rise and fall and the displacement difference

3.2 溫度梯度的影響

日照輻射使得混凝土箱梁沿截面高度和寬度產生較大溫度梯度［15］。溫度梯度分為豎向溫度梯度和橫向溫度梯度，由于梁體上表面溫度始終不會低于下表面溫度，因此豎向溫度梯度只計算正溫度梯度，橫向溫度梯度計算正負溫度梯度。根據《公路橋涵設計通用規范JTG－2015》將梁體上表面溫度設為T1，距離上表面0.1 m處溫度設為T2，距離上表面0.4 m處溫度為0。在T2=6.4℃的基礎上，分別計算T1=15℃、17℃、20℃、22℃、25℃時各支座反力和中點端點位移，如圖14、圖15所示。該案例橋為南北走向，外側在東面，內側在西面，根據該地光照環境和模型平面圖Y軸正方向，將曲線橋的外側溫度大于內側溫度時設為橫向負溫度梯度，內側溫度大于外側溫度時設為橫向正溫度梯度，在荷載組合（2）的情況下，分別計算出正負溫度梯度為±10℃、±20℃、±30℃、±40℃、±50℃時的支座反力和中點徑向位移，如圖16和圖17所示。

圖14 各支座豎向反力隨豎向正溫度梯度變化Fig.14 Each bearing vertical reaction force changes with vertical positive temperature gradient

圖15 中點端點徑向位移隨豎向正溫度梯度變化Fig.15 Radial displacement of midpoint and end point changes with vertical positive temperature gradient

圖16 各支座豎向支反力隨橫向正負溫度梯度變化Fig.16 Each bearing vertical reaction force changes with positive and negative transverse temperature gradient

圖17 中點徑向位移隨橫向溫度梯度變化Fig.17 Radial displacement of midpoint changes with transverse temperature gradient

從圖14可以看出，隨著豎向正溫度梯度增大，端部內側支座B1X#內和B4X#內受拉，且負反力隨正溫度梯度的增大而增大，端部外側支座B1X#外和B4X#外受壓，壓力隨正溫度梯度的增大而增大，中間支座B2X#和B3X#支座壓力無明顯變化，且明顯大于端支座。從圖15可以看出，豎向正溫度梯度使得中點徑向位移向外，兩端點徑向位移向內，可以推斷上部梁體發生了變形體位移。因此豎向正溫度梯度對偏位和爬移均有影響。

從圖16可以看出，各支座反力隨橫向溫度梯度的變化較緩慢，且沒有出現負反力，因此橫向溫度梯度對支座反力的影響較小，不易造成支座脫空和墩柱傾斜的偏位模式。從圖17可以看出，與整體升降溫類似，橫向溫度梯度會使梁體中點產生徑向位移，且徑向向外的位移總比向內的位移大，隨著時間的積累，向外側的位移逐漸積累增大，會導致平面外彎曲的爬移模式。

3.3 支座沉降的影響

在荷載組合（3）的情況下，分別計算出支座沉降0、0.005 m、0.01 m、0.015 m、0.02 m下的各支座反力和中點端點徑向位移，如圖18、圖19所示。

圖18 各支座反力隨地基沉降變化Fig.18 Each bearing vertical reaction force changes with foundation settlement

圖19 中點端點徑向位移隨地基沉降變化Fig.19 Radial displacement of midpoint and end point changes with foundation settlement

可以看出，在支座沉降作用下未出現負反力，各支座反力隨支座沉降量增大而減小，端部內側支座B1X#內和B4X#內支反力最小，中間支座B2X#和B3X#壓力明顯大于端支座，因此端部內側支座有發生脫空的趨勢。支座沉降使梁體產生不同程度徑向向外的位移，但位移量較小，徑向位移隨沉降量增大而增大，可推斷上部梁體發生了變形體位移。因此支座沉降易導致爬移，不易導致偏位。

3.4 車輛偏載的影響

在荷載組合（4）的情況下，分別計算出偏載車道從中車道向外偏離0.85 m、1.05 m、1.25 m、1.45 m、1.65 m下的各支座反力和中點端點徑向位移，如圖20和圖21所示。

圖20 各支座反力隨車道偏移距離變化Fig.20 Each bearing vertical reaction force changes with lane eccentric distance

圖21 中點端點徑向位移隨車道偏移距離變化Fig.21 Radial displacement of midpoint and end point changes with lane eccentric distance

從圖20、圖21可以看出，隨著車道越向外側偏移負反力增大，端部B1X內#和B4X#內支座受拉，端部外側支座B1X外#和B4X#外和中部支座B2X#和B3X#受壓，壓力無明顯變化，中點和端點徑向位移向外，位移量較大，且隨偏移距離增大而增大。可見車輛偏載可能導致支座脫空和變形體位移，對偏位和爬移均有影響。

4 結論

彎橋偏位或爬移后將導致結構損傷，甚至橋梁整體倒塌，嚴重威脅到橋梁整體運營與安全。本研究在系統調研國內外相關文獻的基礎上，提出了彎橋在上部結構和下部橋墩相對位移方面的2種模式：偏位和爬移，并進一步分析了影響因素，主要得出了以下結論：

（1）提出了包含剛體位移和結構變形的2種位移模式，即偏位和爬移，實際工程中的位移病害往往是上述2種模式的疊加。

（2）根據支反力大小及其隨各因素變化的斜率大小，可以得出：整體降溫、整體升溫對彎橋偏位影響最大，車道偏載和豎向溫度梯度次之，橫向溫度梯度和支座沉降最小。

（3）根據在各因素作用下中點和端點徑向位移大小，可以得出：整體升降溫對爬移模式影響較大，豎向溫度梯度、橫向溫度梯度、車道偏載次之，支座沉降最小。