某连续弯箱梁桥侧移分析和处治对策研究

陈仲扬，虞建成，李后川

（1.江苏交通控股有限公司，江苏 南京 210002；2.东南大学，江苏 南京 210096）

1 工程概况

某连续钢筋混凝土弯箱梁匝道桥跨越高速公路主线，平面位于R=200 m的圆曲线及A=70 m的缓和曲线上，纵断面位于R=2 000 m的竖曲线上，如图1所示。桥梁全长256.24 m，跨径布置为10×25 m。桥面横向设置单向4%超高横坡，桥面全宽15.5 m，横向布置为0.5 m（护栏）+6.75 m（行车道）+1.0 m（中央分隔带）+6.75 m（行车道）+0.5 m（护栏）。铺装层为9 cm厚沥青混凝土铺装。设计荷载采用汽—超20、挂—120。

箱梁截面中心高度为130 cm，单箱3室截面，直腹板；箱梁底宽10.5 m，箱梁顶宽15.5 m，翼缘板悬臂长度为2.50 m。箱梁腹板厚度由各跨跨中为36 cm折线渐变至桥墩(台)横隔梁处为50 cm，箱梁底板厚度由跨中为15 cm折线渐变至横隔梁处30 cm，顶板厚度为20 cm。在墩顶和梁端设置横隔梁，梁端横隔梁厚0.8 m，墩顶横隔梁厚1.5 m。

桥梁下部结构采用桩柱式墩、台，横桥向沿径向设置，只在桥台处设台帽，其余墩均为分离的双柱式墩身。墩柱采用圆形截面，柱径1.2 m。各桥墩处，单根墩柱对应单根钻孔灌注桩，桩径1.5 m，设计桩长40 m，未设系梁或承台；0#台基桩直径1 m， 10#台基桩直径1.5 m，设计桩长25 m。桥梁横断面布置如图2所示。

图1 桥梁平面、立面（半）布置图（单位：cm）

图2 桥梁墩、台处横断面布置图（单位：cm）

桥台处单向活动支座采用GPZ2000DX，1#~4#、6#~9#桥墩处双向活动支座采用GPZ4000SX，5#中墩处柱顶采用固定支座GPZ4000GD。

桥台处采用D160型毛勒伸缩缝。墩、台支座平面布置如图3所示。

图3 支座平面布置图

2 桥梁病害分析

在早期桥梁养护检查中，发现箱梁的外弧侧两桥台挡块发生了破损、挤碎现象，各中间桥墩活动支座的上、下钢板之间发生了一定量值的横向滑动等病害。并且后来该匝道桥跨越主线的第5跨曾经受到超高车辆的严重撞击，造成该跨跨中附近箱梁内弧侧腹板、底板局部破损。

在后期现场检查发现，固定支座墩（5#墩）的两根墩柱相对于相邻的4#、6#墩墩柱明显横桥向倾斜。通过测量，地表以上6.25 m高墩柱的顶、底部相对变形为横桥向12 cm（向外弧侧倾斜）、纵桥向5 cm；且该墩柱底部地表以上2 m范围内存在数条环状裂缝，缝长均小于半圆周长。裂缝竖向间距为30 cm左右。裂缝宽度小于0.1 mm。经开凿探测，裂缝深度小于1 cm。

根据以上病害情况结合大量文献调研可知，对于连续弯箱梁桥在温度作用、活载离心力等的作用下具有向外弧侧爬移的趋势，当横向爬移到达一定量值后，可能会趋于稳定，但是当约束条件变化，梁体刚度变化以及其它外界因素的干扰下，梁体向外弧侧移动可能会继续发展［1-3］。

该桥箱梁在受到汽车撞击力的影响下再次发生了较大的横向移位现象。结合对本桥特点的分析，温度作用、活载离心力、撞击力应是导致梁体和5#墩墩柱向外弧侧发生横桥向位移和弯曲变形以及梁体向江阴侧发生纵向位移的主要原因，而梁体位移无法恢复则是由于支座摩阻力反作用、梁体刚度变化以及5#墩墩柱变形后可能存在反作用抵抗导致的。

由数次检查结果可知，挡块开裂、箱梁以及固定墩横桥向变形是在不断发展的，在梁体受到车辆撞击前，梁体就产生了一定的横桥向移位，这是温度变化和离心力反复作用的结果。在车辆撞击后，结合对墩柱、基桩工作状态的理论分析，5#墩柱由于设置了固定支座，因横桥向变形较大而承受横桥向作用力，导致开裂而存在刚度降低现象，梁体无法恢复到原有位置［4］，但仍具备一定的弹性；但5#墩基桩存在较大变形并可能存在地表下桩身开裂病害，事实上通过开挖，地表下2 m范围内桩身发现了更为严重的环向开裂现象，缝长大于半圆周长，裂缝竖向间距为25 cm左右，裂缝宽度最大超过0.5 mm，裂缝深度大于20 cm。土体对基桩的握裹、摩阻长度减小，已经降低了设计需要的部分承载作用，增加了桩身自由段长度，桩土共同作用有较大削弱。

3 处治对策分析

由于该桥横向移位量值较大，并且5#固定支座墩柱病害较为严重，需要针对箱梁横向移位病害以及墩柱开裂病害进行全面有效的处治。

3.1 墩柱改造

原5#墩的两根墩柱已经倾斜且存在严重裂缝病害，从结构安全性与长期耐久性角度考虑，应对其进行更换改造，更换过程中设置了临时钢管支撑，确保在原5#墩两根墩柱失去支承作用情况下或在后期5#墩改造过程中，临时支撑能够有效支撑箱梁且有效限制箱梁的竖向变形。

临时支撑基础设计时，考虑能够提高5#墩横桥向整体抗推刚度，使得5#墩能够有效抵抗温度、离心力、制动力等因素引起的箱梁、墩身横向变形，增加桥梁横向变形刚度，且确保基础自身受力安全。

在5#墩处治的同时，利用施工有利条件，对相邻墩同步进行改造，采取合理措施减小5#墩墩柱所受的径向力，确保下部结构的受力安全。

根据上述考虑，对该桥墩柱采取了如下处治方案进行改造：

（1）先增设PHC管桩，并新增承台将原桩基与新管桩连成整体，加强桩基础的整体抗推刚度与承载力；

（2）利用临时钢管支撑先进行5#墩的反力转换，把原墩柱支反力顶升置换到临时钢管支撑上。

（3）对于5#墩，保留利用原钻孔灌注桩，拆除原墩柱；

（4）该连续弯箱梁桥联长较大，对于仅在中间墩固定支座和桥台处通过支座、挡块限制箱梁横桥向位移的原支承形式，经实践论证其存在不足，不利于桥梁抗震，而且对于箱梁横向位移的预估不足。为了保证结构不再出现同样的病害，在改造5#墩时考虑采用整体性更好、抗推能力更大的墙式墩身与主梁固结形式［5］。因此，加固改造中在新增承台上将原临时钢管支撑包裹浇筑形成5#墩新的墙式墩身，并与箱梁进行固结连接，局部形成刚架结构，对主梁受力也有一定的改善。临时支撑和承台立面如图6所示。

图4 临时支撑和承台立面图（单位：cm）

在设置墩梁固结过程中，对其与原桥的双圆柱式墩身的支撑形式进行了对比，相对于柱式墩身、墩梁铰接方式，实体墩身自身的纵桥向与横桥向抗弯刚度更强，与承台、基桩的整体性要更优；而且当采用墩梁固结方式时，更大的侧向抗推刚度能够更好地限制箱梁的平面位移、扭转变形，墩身、承台以及箱梁（中横梁）形成整体后反而具备更好的横桥向抗推性能，而且箱梁与墩身之间通过固结点传递弯矩对箱梁承受竖向荷载作用是有利的［6-7］。5#墩改造后的构造示

对5#墩采用墩梁固结的方式进行改造后，也使主梁在活载作用下的墩顶负弯矩和相邻跨跨中正弯矩内力均有所减小，对桥梁结构受力有一定的改善，通过理论计算分析，加固前后上部结构主梁活载弯矩内力变化如表1所示：

意图如图7所示。

图5 5#墩墩梁固结示意图（单位：cm）

表1 加固前后上部结构主梁活载弯矩内力变化

（5）在4#墩、6#墩处，在原两墩柱之间新增柱顶横系梁，提高了桥墩的整体抗推刚度。

3.2 箱梁整体顶升

支座上下钢板横移错位，对长期使用造成不利影响，应进行更换修复。理论分析结果表明，即使在当前箱梁所处的横向弯曲状态，理论上支承中心位置虽然发生了最大12 cm的横向变化，但对箱梁内力的影响很小，支反力的偏心作用也不会对1#~4#墩、6#~9#墩墩柱的受力安全造成大的影响，而且实际上横向弯曲未造成箱梁外弧侧的开裂破坏，因此除5#固定墩柱外，总体上桥梁上、下部结构仍处于安全受力状态。鉴于此，仅对箱梁进行整体竖向同步顶升，释放固定约束以及支座摩阻作用以使得箱梁横向弯曲变形能够得到一定恢复，即使受限于温度等因素的不可抗拒影响，部分位移可能仍然无法恢复，箱梁以及下部结构的受力安全也能够得到保证，而且避免了侧向顶推的风险、控制难度大和不可预测性。考虑以上因素，采取更换支座、下部结构改造的总体方案，未对梁体进行横向顶推复位。

3.3 支座形式改造

原设计中间墩除固定墩外均为双向活动支座，为加强对上部结构的横向限位，将原4#、6#墩处的外弧侧双向活动支座改为单向活动支座，即GPZ4000SX改为GPZ4000DX。

3.4 加强桥台处挡块

对桥台处内、外弧侧的挡块一并处理，并且设计上增加了挡块尺寸［8］，加强挡块的抗推限位能力。原设计挡块尺寸为30 cm（横桥向）×40 cm（高度）×145 cm（纵桥向），而且挡块与箱梁侧面的净距仅为1 cm。改造过程中将原挡块凿除，新挡块尺寸调整为160 cm（横桥向）×65 cm（高度）×145 cm（纵桥向），挡块与箱梁侧面净距调整为5.4 cm，并在挡块与箱梁之间安装GJZ400 mm×400 mm×54 mm板式橡胶支座，使梁体在横向力的作用下压缩弹性支承产生一定的横向位移，并起到缓冲作用，当外荷载的作用消失时，在弹性力作用下，部分横向位移将会得到恢复。

4 结论

该桥根据以上处治方案改造加固完成后，考虑到桥梁的重要性、特殊性及施工差异性，同时也为验证设计的合理性，对该桥进行了两个月一次的长期跟踪观测，观测的重点为5#墩墩身观测、基础沉降观测以及箱梁变位观测、梁体裂缝观测等。通过两年来的观测，5#墩墩身无外观病害，改造后沉降很小；箱梁未再次产生横桥向位移，梁体未见新生裂缝。实践证明，设计所采取的措施是合理可行的，改造施工是成功的，处治对策可供同类工程借签。

［1］ 何海.某连续弯梁桥的偏位成因及处理［J］.城市道桥与防洪，2008（9）：68-70.

［2］王新定，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（11）：64-67.

［3］ 刘华.预应力混凝土连续弯箱梁侧向位移的研究［D］.南京：东南大学，2004.

［4］ 程翔云，黄厚芝.连续弯梁桥中固结墩上的裂缝浅析［J］.公路，2001（5）：21-23.

［5］翁丽花.弯梁桥的结构理论分析及支承形式研究［D］.西安：长安大学，2011.

［6］邵容光，夏淦.混凝土弯梁桥［M］.北京：人民交通出版社，1996.

［7］姚玲森.曲线梁［M］.北京：人民交通出版社,1989.

［8］赵景周.独柱支撑曲线混凝土连续箱梁桥侧向位移及其加固和限位措施研究［D］.西安：长安大学，2011.