曲线梁桥横向偏位机理及纠偏研究

林南昌 （温州市铁路与轨道交通投资集团有限公司建设分公司，浙江 温州 325000）

0 前言

近年来，为了满足在复杂地形地物环境下交通畅通以及对各个方向实行交通连接，高架曲线梁桥得以广泛应用[1]。我国早期修建的曲线梁桥由于施工条件、施工工艺等原因在运营一段时间后梁体常会出现横向和径向位移，其中由结构因素和外部因素引起的梁体横向位移尤为显著，也称之为横向爬移。曲线桥梁由于受荷载影响和设计不合理等因素引起的梁体横向爬移对桥梁的运营安全产生了巨大的影响[2]。因此，为保障交通运输安全，应该尽快从设计上解决曲线梁桥的横向偏位问题以及对已经出现横向偏位的桥梁及时进行纠偏。

1 曲线梁桥的受力特性

1.1 弯-扭耦合

由于曲线梁桥的整体重心偏向弧线外侧，所以梁体存在偏心距。梁体在承受竖向弯曲的同时，由于受曲率的影响也会产生扭转，而这种扭转又将导致梁体的挠曲变形，这种弯曲和扭转的相互作用称为“弯扭耦合”作用[3]。图1是曲线梁桥扭矩机理图。

1.2 曲线梁桥受力的空间性

在同样荷载下，同等跨径的曲线梁桥比直线桥的竖向挠度要大，且曲线梁桥的外边缘挠度要比内边缘大；曲线梁桥外侧主梁的内力比内侧主梁要大，内外侧主梁存在应力差[4]；为防止桥梁结构发生扭转，保持全桥稳定，与直线桥相比，曲线梁桥的横梁刚度较大；曲线梁桥的支反力有外侧增大，内侧减小的趋势，内侧在特殊情况下支反力可能是负值；曲线梁桥为防止因桥梁结构径向和横向位移而导致桥墩内力增大或开裂，曲线梁桥的桥墩常设置柔性墩。

图1 曲线梁桥扭矩机理图

2 曲线梁桥偏位成因分析

2.1 结构因素

曲线桥梁的偏位是桥梁结构自身和外界因素共同作用的结果[5]，其结构因素如下。

2.1.1 梁体自重

对比截面形式相同的直线桥和曲线桥，后者的恒载中心曲线偏向外侧，导致梁体有向外侧扭转的趋势，梁体外侧的支座反力和挠曲变形比内侧要大。在汽车荷载、地震等活载作用下极容易发生梁体偏位。

2.1.2 曲率半径

曲率半径的存在是使曲线梁桥产生偏位的主要原因。曲线梁桥在荷载作用下会产生弯扭耦合作用，且曲率半径大小与桥梁弯扭耦合作用成反比例关系，弯扭耦合作用越明显，桥梁偏位越大。

2.1.3 支撑与支座形式

因曲线梁桥的重心较中心线会向外侧偏移，因此曲线梁桥的支座通常会设置一定的偏心，而支座偏心对曲线梁桥的横向位移有较大的影响，尤其是固定支座的摆放位置对桥梁的整体位移影响十分显著[5]。

2.2 外部因素

2.2.1 温度

对于曲线梁桥，在各种荷载工况组合下产生的弯扭耦合都会使梁体产生横向位移，这其中由温度变化引起的梁体横向位移最为显著。梁体在伸缩缝破坏的情况下，温度变化会使桥梁的横向位移急剧增大[6]。温度作用下的梁体横向偏位机理如图2所示。

图2 梁体横向偏位示意图

2.2.2 车辆荷载

由于曲线梁桥特殊的线性构造，桥梁在运营时不仅会受到车辆重力、冲击力、制动力的影响，还会受到汽车径向的离心力的影响。径向离心力会使得梁体横向偏位，当梁体横向偏位之后，受支座摩擦力的影响，在汽车荷载消失后，梁体会产生残余位移。车辆荷载作用下的梁体横向偏位机理如图3所示。

图3 车辆荷载作用下的梁体横向偏位示意图

除上述因素外，还存在设计时考虑不周、施工质量有欠缺及养护管理不完善等因素以及偶然的地震作用也会导致曲线梁桥产生不可恢复的横向偏位。

3 曲线梁桥横向偏位对桥梁结构影响

曲线梁桥相比直线梁桥具有明显的空间受力特性，在荷载作用下桥梁结构会出现“弯扭耦合”现象[7]。这种特殊的受力特性和变形特性使得桥梁容易出现下列几种病害。

①支座脱空：曲线梁桥在荷载作用下会出现扭矩，若梁体扭矩过大会导致桥梁内侧支反力出现负值，从而导致梁体支座的脱空。支座脱空后梁体受到的约束会急剧减小，这将导致梁体的横向偏位进一步加大。

②主梁侧翻：曲线梁桥在车辆荷载、温度荷载、支撑方式以及混凝土收缩徐变等影响下，梁体产生横向位移，从而造成梁体存在不利于结构的向外偏心。在偏心作用下，恒载导致的梁体向外翻转的扭矩变大，最终产生主梁梁体侧翻[8]。

③下部结构破坏：梁体在偏位的时候同时带动支座一起产生滑移，在汽车荷载的反复冲击下，盖梁、墩柱将出现疲劳破坏而产生裂缝，破坏机理如图4所示。

图4 冲击荷对墩柱影响示意图

④伸缩缝发生破坏：发生横向偏位的梁体可能只是部分主梁，发生横向偏位的梁体与没有偏位的梁体存在相对移动，导致伸缩缝发生破坏。

4 曲线梁桥纠偏措施

曲线梁桥发生病害的主要原因在于两个方面：一是设计理论上曲线连续梁桥实用计算方法目前还不够全面、不够统一，以及对曲线连续梁桥的受力特性及支撑约束条件的认识还存在不足；二是施工方法局限性以及对预应力张拉操作过程控制不严。故为尽量避免出现曲线梁桥出现偏位，对于新建桥梁应从设计上进行优化；对于已经出现横向偏位的桥梁，应采取纠偏措施进行复位。

4.1 设置侧向限位装置

4.1.1 支座外移

为了减小因荷载作用导致的曲线梁桥的横向偏位，对于双支座曲线梁桥来讲，可以通过将桥梁外侧支座向外移动，内侧支座向内移动的方式增大两个支座间的间距；对于单支座曲线梁桥可以将支座向外侧移动来抵消桥梁中跨部分横向扭矩。

4.1.2 设置弹性侧向支撑

曲线梁桥的弹性侧向支撑一般设置在梁端梁体与挡块之间，弹性支撑的设置增大了桥梁墩台的柔性，有效的协调了桥梁纵向各墩台间的刚度，减小了梁端支座的支反力，进而减小了曲线梁桥的横向位移[9]。

4.2 梁体顶升平移

梁体复位常用顶升和顶推复位相结合的方法，首先利用同步顶升系统对梁体竖向顶升，解除梁底支座约束，并将梁体置于临时墩上，然后利用顶推系统对梁体进行横向复位顶推，更换支座后再将梁体精准降落至初始位置。目前常用PLC液压同步顶升系统[10]，该系统可通过力和位移综合控制来保证顶推精确就位。具体操作可分为以下四个步骤。

4.2.1 顶升梁体

首先在需要顶升的位置处搭设支撑系统，可利用桥梁自身的盖梁、墩顶或者在桥墩上安装钢抱箍作为支撑系统，然后在支撑系统上设置作业平台，再在作业平台上布置顶升系统。整个支撑系统和作业平台都应经过严密的整体稳定性和局部应力计算，避免在顶升过程中平台出现倾覆和局部破坏。

然后采用PLC液压同步顶升系统将整个梁体垂直顶起后放置在临时支墩上。在顶升过程中应实时监控梁体被顶部分的压力和位移变化，动态调整各个顶点的压力，使得梁体实现同步顶升的同时各顶点的负载均衡，保证顶升过程中的安全。

4.2.2 梁体顶推平移/复位

横向顶推复位之前应准确计算横向和竖向顶推力，在曲线内侧应设置水平千斤顶作为横向限位装置，通过在临时墩顶设置横向滑道实现梁体复位。顶推复位过程中应做好实时监控工作，当监测到的各项指标与理论值相差过大时应及时停止并检查原因，排除后方可继续顶推[5]。同时，整个顶推过程应遵循边顶推边复核的原则，避免出现顶推过量或顶推不到位的情况。

4.2.3 更换支座

当解除梁底支座约束，并将梁体置于临时墩上之后，检查原有支座是否损坏，对剪切变形超限或者老化等出现损坏的支座进行更换，保证支座型号和摆放位置符合设计要求。

4.2.4 落梁

横向顶推复位后，采用竖向千斤顶将梁体支撑起来，拆除横向滑道，然后将梁体精准落至永久墩上，再拆除临时辅助墩、支撑架等临时施工设施。临时限位设施也可不拆除，留在墩上作为永久防偏设施。

4.3 加固独柱固结墩

通过在原固结墩两侧增设接柱而形成多柱支撑来抵消主梁产生的扭矩[11]。一般对于一联只有一个固结墩的曲线梁桥，在对桥梁进行加固时要对该固结墩进行加大加强处理。

5 结论

①曲线梁桥由于其特殊的空间受力特性，在温度荷载和汽车荷载下会产生横向偏位，进而导致曲线梁桥出现支座局部脱空、主梁侧翻、桥梁下部结构以及伸缩缝破坏等一系列病害，这将给桥梁的正常运营造成极大的影响。

②通过增大梁体整体抗扭刚度、增设弹性限位装置以及设置合理的支承体系等这几方面对曲线梁桥进行优化设计以减小梁体横向偏位。

③可采用加固独柱固结墩方式减小曲线梁桥产生的扭矩，有效地控制梁体的横向偏位；对于已经出现横向偏位的曲线梁桥，可采用PLC液压同步顶升系统将梁体顶升复位。国内多个工程实践证明，该技术具有显著的工程应用价值。