某公路橋梁工程箱梁整體側向滑移成因及處置方案分析

段紅衛

摘要 公路橋梁工程運營過程中，極易產生箱梁滑移現象，影響結構使用性能，威脅交通安全。為有效了解簡支箱梁結構側向滑移的具體成因，文章以某橋梁工程為背景，針對箱梁滑移原因及處置方案展開綜合探究，通過現場質量狀況調查，了解梁體滑移的具體情況，并確定了導致梁體滑移的相關因素。借助有限元3DPL軟件構建成橋計算模型，對0.05、0.03、0.026三種摩擦系數條件下梁體側向滑移情況進行模擬分析。結果顯示：（1）梁體滑移主要是由支座使用不合理所致，同時橋側堆土也在一定程度上加劇了箱梁滑移。（2）建議對橋梁實施復位處理，將簡支箱梁一端滑動支座更換為板式橡膠支座，同時盡量避免在橋梁周圍堆土，并加強沉降、變形的監測，確保橋梁運營安全。

關鍵詞 橋梁工程項目；梁體滑移；有限元分析；處置方案

中圖分類號 U445.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0078-03

0 引言

橋梁工程運營期間普遍存在梁體滑移問題，嚴重影響結構使用安全。通常狀況下，梁體滑移主要與下列因素有關：①自身質量因素，如支座性能不合格，抗剪強度低等[1]。②施工因素，支座安裝不規范，未按照施工規范要求設置調平裝置[2]。③支座使用不合理，未根據橋梁結構形式選用合適的支座類。④外部荷載作用，如橋側堆載過大或路橋結合處土壓過大等[3]。某橋梁運營階段梁體出現側向滑移，該文借助有限元分析模型，對梁體側滑原因進行模擬計算分析，確定了梁體滑移的主要原因，并提出了科學有效的處置措施，以期能有效提升橋梁穩定性，保證橋梁運營安全[4]。

1 工程概況

某橋梁工程為預制預應力箱梁結構，梁體長度24 m，下部結構為柱式橋墩，基礎形式采用鉆孔灌注樁，支座系統采用規格為LNR-d435×188型圓形滑動橡膠支座。橋面縱、橫向坡度利用橋墩縱橫向高差形成。經現場質量狀況調查發現，箱梁整體出現側向滑移，12#橋墩頂部左側防護欄桿移位3 cm，右側防護欄桿、伸縮縫產生較大變形。簡支跨支座存在滑移問題，滑移距離為2～8 cm。其中，12#橋墩頂部的5個支座整體左移8 cm，11#橋墩頂部的5個支座整體右移4 cm。該橋梁周邊區域地質狀況良好，不存在滑坡、坍塌等地質災害狀況；病害跨外側3 m處存在大量棄土，棄土長20 m、寬15 m、高4 m。

2 有限元計算原理

該項目模擬計算的難點在于支座體系與箱梁摩擦面之間的計算。該橋梁工程支座系統為LNR-d435×188型圓形滑動橡膠支座，支座與箱梁接觸部位布設摩擦面。利用摩爾-庫倫本構模型進行模擬計算[5]，此模型中的內聚力又稱為黏聚力，模擬計算時為剪應力，計算公式為：

τ =c+σtanφ （1）

式中，c——黏聚力；σ——法向力；φ——內摩擦角；τ——剪應力。摩擦力F的計算公式為：

F=μN （2）

式中，F——支座與箱梁之間摩擦力；μ——摩擦系數；N——支座承受壓力。式（1）、式（2）聯立，并使c=0，因Aσ=N，μ=tanφ，能夠得出：Aσtanφ=μN。由此可知，改變內摩擦角度數可使支座摩擦系數發生改變。

3 有限元計算分析

3.1 有限元模型

利用3DPL軟件構建有限元模型，其長、寬分別為155 m和100 m。土體選用摩爾-庫倫彈塑性本構模型，利用單元模塊模擬樁基與周邊土層作用情況[6]。土體、基礎與梁體均通過10節點立面體單元進行模擬，成橋模型見圖1所示：

3.2 計算參數

根據地勘資料得到土壤天然密度、粘聚力、內摩擦角等相關力學參數，并結合《工程巖體分級標準》確定泊松比、變形模量等指標[6]，詳細數據如表1、表2所示。支座系統與梁體摩擦面利用摩爾-庫倫本構模型進行模擬，在0.05、0.03、0.026三種摩擦系數下實施運算。

3.3 計算工況

工況1：施加土體重力荷載作用，形成初始應力，對土體初始狀態實施模擬[7]。

工況2：基于工況1設置樁基、承臺、橋墩、蓋梁等構件，并模擬計算該狀態下的土體與結構應變情況。蓋梁設置坡度為0.02的橫坡，蓋梁模型如圖2所示：

工況3：基于工況2設置上部結構，求出此狀態下土體與結構的應力與變形。根據縱向橋墩高差設置橋面縱坡為0.026。支座與梁體摩擦系數按照0.05、0.03、0.026進行模擬計算，計算模型如圖3所示。

工況4：按照工況3在12跨橋面布置交通荷載，并求出結構應力與變形，支座與梁體摩擦系數依次按照0.05、0.03、0.026進行計算。

工況5：基于工況3，在11#橋墩外側3 m處，增設長、寬、高分別為20 m、15 m、4 m的土堆，詳細模型見圖4所示。

4 計算結果分析

4.1 支座影響

由模擬計算結果可知，支座與梁體間的摩擦系數?=0.05時，二者之間的變形較為協調，在自身重力及交通荷載作用下箱梁結構縱、橫向變形均較小[8]；而當摩擦系數?=0.03或?=0.026時，第12跨箱梁縱、橫向均出現明顯滑動，詳細情況見表3所示：

4.2 堆土影響

通過現場調查發現，11#橋墩外側3 m處存在大量棄土，高度達4 m，模擬過程中分析堆土造成的影響。為防止支座摩擦力取值較小而影響模擬結果的準確性，模擬計算時摩擦系數取0.05。根據模擬計算結果可知，橋梁周邊地質狀況較好，其外側堆土對橋梁結構影響相對較小，堆土前后11#橋墩頂部位箱梁結構由外偏0.6 mm變為內偏0.8 mm。

根據軟件模擬分析得出工況5第12跨縱向滑動位移云圖，其12#橋墩頂箱梁由外偏1.4 mm變為外偏1.6 mm，表明橋梁外側堆土導致箱梁發生橫向偏轉，使11#橋墩頂部箱梁外偏量增大；根據軟件模擬分析得出堆土時下部結構為第1主應力云圖，該主應力小于1.0 MPa，低于混凝土橋梁結構設計標準中C30構件抗拉強度為2.01 MPa的規定。

5 病害成因分析及處置方法

5.1 病害成因分析

根據有限元模擬計算結果，對梁體側向滑移原因進行分析，具體內容如下：

（1）簡支箱梁兩端支座均為LNR-d345×118型圓形滑動橡膠支座，因11#橋墩、12#橋墩頂部蓋梁縱、橫向存在0.026和0.02的坡度，支座與梁體間的摩擦系數依次按照0.05、0.03、0.026進行模擬計算。當?=0.05時，箱梁在重力荷載或交通荷載作用下均出現滑移；而當?=0.026或?=0.03時，箱梁在重力荷載或交通荷載條件下均出現了滑移。按照現行《LNR型水平力分散橡膠支座設計標準》，當溫度處于?25～60 ℃時，此類支座摩擦系數?≤0.03，所以，箱梁結構產生滑移的根本原因在于摩擦力不足。

（2）模擬計算結果顯示，橋側堆土導致11#橋墩與頂部箱梁結構向左偏移增大，但整體增量較小。

5.2 處置方法

結合該橋梁病害具體成因，對箱梁側向滑動實施復位處理，更換原有支座，改為板式橡膠支座。同時，強化橋梁運營階段的變形監測，保證使用安全。

6 結論

綜上所述，該文依托實際工程案例，并借助有限元模擬計算，系統分析了簡支箱梁結構側向滑移的主要原因，并提出了科學有效的處置方案。具體如下：

（1）簡支箱梁結構產生梁體滑移的根本原因在于支座選型不合理，梁體兩端不宜同時采用滑動支座，尤其當梁體縱、橫向坡度較大，結構沿坡度方向的分力作用超過摩阻力作用時，便會引發梁體滑移。

（2）橋梁外側堆土會在一定程度上影響橋梁結構受力，加劇梁體滑移，因此工程實踐中應禁止在橋梁周邊堆土。

（3）根據橋梁滑移形成的具體原因，對橋梁進行復位處理，將原始圓形滑動橡膠支座更換為板式橡膠支座，并加強后續的位移監測，保證橋梁運營安全。

參考文獻

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