连续弯梁桥横向位移处治方法研究

高岩渊　虞建成　李后川

摘 要：文章针对多跨连续弯梁桥横向位移这一普遍问题存在的成因及影响进行了分析，并提出了改造中间桥墩为墩梁固结和增设梁端侧向支撑的方法来解决横向位移的现象。文章对该方法进行了可行性和优缺点的分析探讨，并通过理论分析和实践验证，表明该技术对多跨连续弯箱梁桥横向位移处治能够达到较好的效果，可供类似工程借鉴。

关键词：连续弯箱梁桥；横向位移；墩梁固结；弹性支撑

1 概述

在役桥梁存在许多多跨连续弯梁桥，在多年的桥梁养护检查中，发现较多的连续弯箱梁桥在使用过程中存在横向位移现象[3]，即梁体向横桥向外弧侧发生平面位移，本文针对多跨连续弯梁桥横向位移这一普遍问题存在的成因及影响进行总结分析，并对处治措施进行了研究，提出了将中间桥墩改造为墩梁固结形式和增设梁端侧向支撑的方法。

2 病害成因及影响分析

连续弯梁桥横向位移病害并非个例，如深圳黄木岗立交桥A匝道桥[8]、广州某高速公路跨越高水线的匝道桥、津宝公路旧城胜利大桥等桥梁均存在横向位移病害，横向位移量值多者可达几十公分。横向位移病害的产生绝非偶然，必定和该类桥梁的结构类型或使用过程中的某种特定因素存在一定的关系，本文从弯梁桥构造特点和外荷载作用情况进行综合分析。

与直线梁桥相比，由于平面曲率的影响，弯梁桥最大的受力特点是存在弯扭耦合作用。即在外荷载作用下，梁截面内产生弯矩的同时必然伴随着产生耦合的扭矩；同理，在产生扭矩的同时也伴随着产生相应的耦合弯矩[6]。梁截面处于弯扭耦合作用的状态，其截面主拉应力往往比相应的直梁桥大得多。弯梁桥由于受到扭矩作用，产生扭转变形，其曲线外侧的竖向挠度大于同等跨径的直桥；且在梁端可能出现翘曲；当梁端横桥向约束较弱时，梁体有向外弧侧“爬移”的趋势[2]。

2.1 成因分析

恒载作用：由于平面曲率的存在，弯梁桥的外侧弧长度大于内侧，横截面左右完全对称时，它的恒载重心相对于梁的剪切中心是有偏心的。因此，即使桥面上为均布荷载，对弯梁桥的作用也可分解为一个作用于截面剪切中心线的竖向分力和向外弧侧偏转的扭矩。

活载作用：车辆行驶在弯梁桥上，梁体除必须考虑直梁桥中的竖向力和轴向力（制动力）外，当弯梁桥的曲率半径等于或小于250m时，应计算径向力（离心力）的作用。对于竖向荷载，与恒载偏心相似，车辆的偏心行驶会使得梁体产生扭转。通常在全桥只设计一个固定支座，由于活载作用只是瞬间的，梁体在离心力作用下产生横桥向位移后，如果支座摩阻力大于该活载工况下的离心力，则梁体的侧向位移将不能全部恢复，梁体不会恢复到原来的平面设计状态，直到下次活载产生的水平力大于支座摩阻力时，梁体又会往外侧偏移，这样横向位移将逐渐累积到一个相当大的量值。

预应力作用：预应力钢束的布束形式对弯箱梁桥的支座反力和扭转变形影响很大。与直线梁不同，弯梁桥的钢束存在双向曲率，即既存在竖向弯曲也存在平面弯曲，因此预加力的作用不仅包括竖向分力，还包括平面径向力。

温度、收缩徐变作用：直桥在温度变化时只产生轴向的伸缩变形，而弯梁桥发生弧段的缩短或者伸长，由于外弧侧轴向的长度大于内弧侧的长度，故在温度作用下，不仅会引起轴向的位移还产生径向位移。梁体温度升高时，产生径向位移，再降温时梁体径向位移又恢复，但在支座摩阻的作用下会存有残余位移，在周而复始的变化的温度作用情况下残余位移发生累积，形成较大的横向位移。

混凝土收缩将引起各支点处的径向位移，故将引起桥梁线形的变化，使结构半径变小，因而径向力应会增大；混凝土徐变引起的仅是桥轴线的收缩，对结构的线形没有影响。

桥墩抗推刚度：弯梁桥桥墩的构造直接影响到梁体的受力和变形。相同截面的桥墩，高度越大时，其抗推刚度越小，在横向力的作用下，桥墩的横向位移越大，而梁体支撑在桥墩顶的盆式支座上，如果桥墩的抗推刚度很小，通过支座摩阻力或者支座侧向限位构造，也会加大弯箱梁桥横向位移的增大。

综合以上对连续弯梁桥在荷载作用下的效应分析可知，恒载、活载、温度、预应力、收缩徐变等的作用都可能會对弯梁桥产生扭矩或横桥向水平力，当其中一项或几项的共同作用超过梁体的横桥向抗力时，梁体就会向外弧侧移动，而在引起侧移的这些因素消失后，由于支座摩擦力、梁体刚度变化等因素的影响，侧向位移不能全部恢复，日积月累便会发生较大的横桥向位移。

2.2 影响分析

连续弯梁桥在使用过程中可能会发生梁体侧移并且部分位移是不可恢复的，侧移发生后，不仅会影响桥梁的线形，导致梁体整体平面滑移，还可能会对桥梁结构的受力造成不利的影响，梁体支撑中心线偏离支座中心线，严重时导致桥梁其它部件的破坏，如支座变形过大、剪切破坏；而在固定支座处，固定支座损坏或者桥墩立柱横桥向倾斜以及混凝土开裂等。

3 处治方法研究

如果任由连续弯梁桥发生平面位移，通过以上分析将导致非常不利的后果，故考虑采取横向限位的措施来消除横向位移现象。但这样由于横向约束的影响势必会使梁体产生一定的横向受弯，必须进行必要的验算分析；且在约束点处的墩柱承受较大的横向水平力的作用。

如仅在中间墩和桥台处通过支座横向限位装置或者限位挡块限制箱梁横桥向位移，则仍对中间桥墩下部结构产生非常不利的影响。故拟在连续弯梁桥的中间桥墩处，将原构造改造成墩梁固结形式，并采用实体薄壁墩构造以加强桥墩的横桥向抗推能力，同时在桥台处增设侧向弹性支撑的措施。这样在中间桥墩处的相邻跨主梁受力类似于连续刚构形式，由于薄壁墩身参与局部主梁受力，对主梁承受活载是有利的。而温度等对于主梁轴向变形和受力由于仅在中间桥墩设置了墩梁固结，影响却有限。另一关键问题是中间桥墩的改造必须结合基础的实际情况进行综合考虑。

3.1 改造桥梁概况

某多跨连续弯箱梁匝道桥跨越高速公路主线，平面位于R=200m的圆曲线及A=70m的缓和曲线上，纵断面位于R=2000m的竖曲线上。桥梁全长256.24m，跨径布置为10×25m。桥面横向设置单向4%超高横坡，桥面全宽15.5m，横向布置为0.5m（护栏）+6.75m（行车道）+1.0m（中央分隔带）+6.75m（行车道）+0.5m（护栏）。铺装层为9cm厚沥青混凝土铺装。设计荷载采用汽-超20、挂-120。

桥梁上部结构采用单向三室箱梁截面，中心高度为130cm；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1.2m。桥梁横断面布置如图1所示。

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2所示。

在桥梁养护检查中发现，固定支座墩的两根墩柱存在横桥向倾斜病害，墩柱高度6.25m，墩顶横桥向向外侧偏移12cm，且该墩柱底部地表以上2m范围内存在数条环向裂缝，缝长小于半圆周长，裂缝间距约30cm左右，裂缝宽度约0.1mm。

3.2 改造措施

针对多跨连续弯梁桥横向位移处治方法主要有主梁顶推复位、增加抗扭支撑、墩梁固结、增大墩柱抗推刚度、弹性侧向支承等[4]。而对于本桥而言，联长较大，且仅在中墩和桥台处通过支座、挡块限制箱梁横桥向位移，经实际论证是不足的。考虑到由于上部结构横向位移已导致固定支座墩产生环向受力裂缝这一病害特点，从增加对上部结构的横向约束和提高下部结构抗推刚度出发，经综合论证采用中间的5#墩处墩梁固结的方法并增设桩基承台的综合方法对弯梁桥进行加固改造。

加固改造示意图如图3所示。

实体薄壁式墩身、墩梁固结：拆除原墩柱后，在承台上浇筑实体墩身，墩身底部与承台形成固结。在箱梁内横隔梁底面植入竖向钢筋，与实体薄壁墩内钢筋相连接，形成墩、梁固结形式。5#墩为一联的中间墩，当墩、梁固结时，整体升、降温不会引起墩身纵桥向受推效应，也不会因支承方式的改变而对箱梁恒载内力形成大的影响。

同时，为在两侧桥台位置处实现更好的限位，将原挡块尺寸加大，并在挡块与箱梁侧面之间安装橡胶缓冲块，实现对梁体侧向的弹性支撑和限位。

3.3 效果评价

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分析对比，相对于柱式墩身、墩梁铰接方式，实体薄壁墩身自身的纵桥向与横桥向抗弯刚度更大，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（中横隔梁）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更有利。

采用midas-civil建立桥梁空间有限元模型对改造前后主梁弯矩内力分布进行计算分析，模型图如图4所示。

通过计算，加固前后5#墩两侧桥跨（第5、6跨）活载作用弯矩内力包络图如图5所示。

从图5中可以看出，加固改造后第5、6跨跨中截面活載最大正弯矩由4642kN·m减小至4384kN·m，5#墩顶截面活载最大负弯矩由-4818kN·m减小至4348kN·m，对原桥梁结构整体受力更有利了。

4 结束语

该桥改造施工结束后，对该桥进行了两个月一次的跟踪观测，观测的重点为5#墩墩身使用情况观测、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；5#墩位置未发现横向位移，桥台位置处虽有较小横向位移产生，但有较强劲挡块和弹性支撑（橡胶缓冲块）约束，