平面曲线梁桥侧向位移病害分析与加固维修

秦永刚　乔　捷　王泽宁　王琛妹

(1.北京市市政工程设计研究总院有限公司　北京　100082;　2.北京市城市道路养护管理中心　北京　100069)

平面曲线梁桥侧向位移病害分析与加固维修

秦永刚1乔捷2王泽宁1王琛妹1

(1.北京市市政工程设计研究总院有限公司北京100082;2.北京市城市道路养护管理中心北京100069)

摘要平面曲线梁桥尤其是独柱支撑的曲线梁桥,在永久作用和可变作用下会产生侧向变位。某平面曲线连续梁桥，中支点双向活动支座处主梁侧向位移接近支座使用极限值，造成柱顶抗震锚栓弯曲变形，甚至屈服。文中通过建模计算桥梁在实际荷载作用下侧向位移，并与实测位移进行对比，分析该桥侧向位移产生的主要原因。结果显示，现况桥梁永久作用变形已基本趋于稳定，实际可变作用引起的侧向弹性位移较小。因此选择适宜的环境温度，在墩柱顶部设置防爬移限位装置，以确保桥梁结构的运营安全。

关键词平面曲线梁桥侧向位移病害分析加固维修

曲线桥对于各种复杂的地形地物有着良好的适应性，在城市桥梁中得到了广泛的应用。近年来，一些修建较早的桥梁先后出现各种病害，其中侧向位移问题轻则导致梁端伸缩缝的剪切破坏，严重的则出现支撑结构破坏、梁体整体滑移和翻转等。桥梁在使用过程中若出现该问题，加固起来非常困难，对交通影响大，造成的经济损失巨大[1]。

针对曲线桥梁侧向位移病害情况，本文结合实例工程对侧向位移问题进行计算，并与实际检测的位移值进行对比分析，找出此种病害产生的主要原因，并介绍一种快速安装型侧向位移限位装置的加固措施，通过墩柱限制主梁进一步爬移。该加固措施结合桥梁墩柱抗震加固，彻底解决曲

线桥梁侧向爬移问题，可为此类曲线梁桥加固设计提供参考。

1工程概况

1.1　桥梁概况

北京市二环路某立交内环桥，为7跨连续预应力曲线梁，曲线半径220 m，桥梁长度238 m，最大跨径42.7 m。上部结构采用单箱多室箱梁，下部结构中墩为钻孔桩承台接双柱墩或单柱钢管混凝土墩，墩柱直径1.5～2.0 m；中墩共2个轴墩柱与主梁固结，其余轴设置支座，分联处支座为四氟滑板橡胶支座，双柱墩顶为盆式橡胶支座，独柱墩顶为球型支座。桥梁横断面布置见图1，桥梁支座布置及编号见图2。

图1　桥梁横断面布置图(单位：cm)

图2　支座平面布置及其编号

1.2　桥梁位移状况检测

2005年结构定期检测中，主梁抗震锚栓有1个墩柱位置处发生了锚栓与柱顶贴死的现象，个别的锚栓已经弯曲变形，盖梁部分挡块挤压开裂。2011年检测中，多个桥墩处梁体存在偏移，支座周边抗震锚栓与桥墩紧贴、锚栓已倾斜，给桥墩带来水平附加力，影响桥墩结构安全；多个独柱墩顶处球型支座侧向位移量超过支座标称允许值，但该桥所用盆式支座、球形支座外观未见明显病害。

2013年支座特殊检测结果：支座的侧向偏移方向均为向圆弧线外侧方向偏移；支座转角不大于0.005 rad，属正常状态；抗震锚栓变形贴紧柱顶，上下支座板及相应构件均未发现有裂纹及锈蚀情况，支座尚处在大致正常的工作状态。内环桥各支点主梁位移值见图3。

图3　支座位移实测值(横向代表侧向位移)

2侧向位移病害分析

本曲线梁桥，中支点双向活动支座处主梁侧向位移接近支座使用极限值，造成柱顶抗震锚栓弯曲变形，甚至屈服。此类病害发展使得支座位移超限、承载力降低，甚至存在倾覆的危险。为确定合理有效、具有针对性的加固措施，需对桥梁现况侧向位移进行分析，找出病害产生的原因。

通过建立桥梁有限元模型，计算主梁在恒载、预应力、收缩徐变、温度等作用下侧向位移，并与现场实测位移进行对比，分析确定该桥侧向位移产生的主要原因，找出引起桥梁侧向爬移的可变作用效应。

2.1　计算模型

采用Midas有限元程序建立桥梁计算模型，主梁、墩柱采用梁单元模拟，活动支座通过弹性连接模拟，墩柱底部按固结考虑。计算模型见图4。

2.2　侧向位移对比分析

2.2.1侧向位移趋势分析

引起平面曲线梁桥侧向位移的因素包括主梁自重、预应力、收缩徐变作用、降温作用及横向温差作用等，本文建立计算模型，对上述因素进行逐一分析，并与桥梁实际位移进行对比。在引起侧向位移趋势上，对上述因素计算分析如下：

(1) 自重作用。主梁的侧向位移可忽略；预应力作用下主梁侧向位移方向向着曲线外侧，见图5。随着时间发展主梁侧向徐变位移逐渐增大，其方向与预应力作用下主梁位移方向一致，见图6。

(2) 主梁混凝土收缩作用。其侧向位移方向向着曲线内侧，越靠近梁端，其侧向位移越大，见图7。桥梁合龙时为9月份，而实际检测主梁位移时间为1月份，为方便与实际位移进行对比，计算曲线梁在降温作用下的侧向位移，其位移方向与收缩作用下侧向位移方向一致，见图8。另外，由于主梁曲线内侧受日照作用，会沿主梁横断面方向产生梯度温差。此横向温差作用下，主梁侧向位移方向与降温作用相反，见图9。对以上各作用引起的侧向位移进行代数叠加，总位移方向与实测位移方向一致，均向曲线外侧，见图10。

图5预应力作用下图6徐变作用下

主梁位移主梁位移

图7收缩作用下图8降温作用下

主梁位移主梁位移

图9主梁横向温差图10永久作用及可变

作用下主梁位移作用下主梁位移

2.2.2侧向位移数值对比

确定位移趋势后，根据计算模型进一步得出曲线梁在恒载、预应力、收缩徐变、系统降温、横向温差、离心力等作用下的侧向位移及实测位移见表1。

表1　曲线梁各支点侧向位移及实测位移对比表　mm

计算结果中，恒载、收缩、温度作用下主梁侧向位移较小，预应力、徐变及离心力作用下主梁侧向位移较大。各作用引起的侧向位移叠加后，和实测值基本一致。

2.2.3徐变作用下主梁位移发展

根据计算结果，预应力、徐变及离心力产生侧向位移较大。预应力作用引起的位移已稳定，另需确定永久作用中的徐变效应完成程度，为限位设计是否克服剩余徐变效应位移提供依据。

参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[2]附录F徐变计算经验公式，将本桥设计参数代入进行计算，桥梁运营20年后徐变效应已完成97%，见图11，可认为桥梁运营20年后，主梁在徐变作用下的侧向位移已基本趋于稳定。

图11　主梁各支点侧向徐变位移随时间变化曲线

2.3　侧向位移原因分析

通过对比桥梁侧向位移理论计算值与实测值，并结合徐变作用下主梁位移发展，对此平面曲线桥梁侧向位移病害做如下分析。

(1) 理论计算位移与实测位移趋势一致，引起侧向位移的因素包括预应力作用、收缩徐变作用、温度作用及离心力作用等。

(2) 主梁侧向位移主要由预应力、徐变、离心力等共同作用。由于本桥滑动支座纵向布置方向指向曲线梁收缩中心，对于收缩、整体降温作用引起的支座侧向位移很小。

(3) 除个别支点外，主梁侧向位移实测值均大于计算值，两者差值基本体现曲线梁侧向位移不可恢复的变形，即爬移值。

(4) 侧向位移引起的主要因素中，永久作用包括预应力、徐变作用已趋于稳定，最终位移为确定值，爬移位移产生的主要原因为可变作用中离心力作用。

3侧向限位加固设计

根据病害原因分析，结合计算结果以及相关研究成果[3], 本桥防爬移加固安装侧向限位装置，结合墩柱加固限制主梁进一步爬移。

防爬移限位装置自上而下由锚固钢板、限位钢板及限位组件组成，其中锚固钢板与主梁进行连接，限位组件与墩柱进行连接，两者之间通过限位钢板限制其侧向位移，见图12。本限位装置安装于墩柱顶部横桥向两侧，上部限位钢板通过锚固钢板处的锚固螺栓与主梁底面连接，下部限位组件与墩柱顶部外包钢板焊接连接，限位钢板插于限位组件的内外钢板和内外滑动块之间。本限位装置约束侧向位移，限制主梁爬移；在沿支座纵向自由滑动的同时，满足平面曲线梁水平自由转动。

图12　限位装置连接示意图(单位：mm)

限位装置通过拼装连接，满足可检查、易养护、可维修、可更换的要求；该装置重量较轻，对墩柱承载能力影响小；同时该装置全部由钢构件拼装而成，具有构造简单、工程造价低、施工方便，适合工厂批量生产，现场栓接安装，不影响桥面交通、外观美观等特点。

此装置有效约束了主梁的侧向位移，防止支座横向位移过大时造成承载力不足，也可使各墩均匀分担水平地震力，提高结构的抗震承载力。在独柱支撑桥梁平面曲线梁桥的抗倾覆加固中，此装置也存在应用的空间。在曲线梁桥大修中具有广泛的应用前景，取得良好的经济效益和社会

效益。

4结论

(1) 平面曲线梁桥在永久作用和可变作用下会产生侧向变位。在使用过程中，永久作用引起的侧向变位随着时间累积，最终趋于稳定；而可变作用下的侧向变位由于周期作用，在其消失后其侧向变位并不能完全恢复，会产生部分不可恢复的残余位移，此平面侧向残余位移逐年累积，产生爬移。

(2) 引起曲线梁桥侧向位移的因素包括主梁自重、预应力作用、收缩徐变作用、温度作用及离心力作用等，其中预应力、徐变、离心力作用为侧向位移产生的主要原因。

(3) 经计算实际可变作用引起的侧向弹性位移较小，对墩柱进行加固后，可在墩柱顶部设置防爬移限位装置，约束主梁进一步爬移，确保桥梁结构的运营安全。

(4) 此种加固技术可为今后曲线梁桥类似病害处理提供经验参考。

参考文献

[1]邵容光,夏淦.混凝土弯梁桥[M].北京:人民交通出版社,1994.

[2]JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[3]新定,丁汉山,吉林,等.混凝土连续弯梁桥侧向位移分析及对策研究[J].公路交通科技,2006,23(11):64-67.

Lateral Displacement Disease Analysis and Repair and

Reinforcement for a Plane Curve Beam Bridge

QinYonggang1,QiaoJie2,WangZening1,WangChenmei1

(1.Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute, Beijing 100082, China;

2.Beijing City Road Maintenance Management Center, Beijing 100069, China)

Abstract：Plane curve beam bridges, especially Single column supported curve beam bridges, under the permanent action and Variable action, will produce a lateral displacement. A flat curve girder bridge located at Beijing's Second Ring Road, girder lateral displacement at the bidirectional movable supports on intermediate fulcrum is close to the bearing limit value, which causes bending deformation of the seismic anchor, even yield. In this paper, a model of the bridge has been built to calculate the lateral displacement under actual load, which has been compared with the measured lateral displacement.The permanent deformation of the status bridge has been basically stabilized, Actually，actual variable action will cause smaller lateral elastic displacement. Select the appropriate ambient temperature, set anti-climb stopper at pier top to ensure safe operation of the bridge structure.

Key words:plane curve beam bridge; lateral displacement; disease analysis; repair and reinforcement

收稿日期：2015-01-20

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.013