山区钢筋混凝土曲线梁桥典型病害分析

李 毅 海大鹏 张 健 况月超 王小强

（中国建筑第七工程局有限公司，河南郑州 450000）

曲线梁桥的空间布置能灵活适应蜿蜒崎岖的山区公路线型，不因山区地形复杂而被限制，在必要地段采用曲线梁桥，可减小展线长度，获得相应的经济效益。特别是上部结构为钢筋混凝土板的曲线梁桥，以其截面形式简单、建筑高度低、施工方便、用材经济等优点，广泛应用于跨度较小、弯度较大的山区公路。曲线桥梁在运行过程中，上、下部构件不断出现各类不同程度的病害。我国经济发展迅速，重载车辆不断增多，山区昼夜的大温差使混凝土产生较大收缩变形。桥址地区偏远、交通不便，无法及时有效对桥梁进行管养，间接导致了病害的不断加重。桥梁设计者在最初设计阶段考虑的重点是强度，从设计角度出发对耐久性的考虑相对较弱，多是提出加强结构施工过程中的质量控制和保证以及例行检查与后期维修等建议。桥梁使用过程中的性能表现是桥梁生命周期中最重要的，在荷载和环境因素的共同作用下，满足设计强度要求的桥梁使用寿命依然较短，对桥梁的运营安全造成隐患，影响桥梁自身结构的安全[1]。应结合弯曲梁桥力学特征及桥址特点，对既有山区曲线桥梁的病害进行深入分析，为此类桥梁耐久性设计和病害事故预防措施提供参考。

1 工程概况

该桥位于某山区二级公路线上，桥梁全长213.3 m，桥宽11.5 m，跨径13×16.0 m，修建于2009年。桥梁上部主要承重结构为4联现浇连续钢筋混凝土板。全桥支座采用板式橡胶支座，每个桥墩或桥台上均匀布置7个，全桥共计98个支座。全桥墩台均为钢筋混凝土结构，桥台为重力式结构，桥墩为双桩式桥墩。桥梁平面位于一段小半径圆曲线和一段长缓和曲线上，纵断面位于凸形曲线上。

2 桥梁典型病害分析

2015年经有关部门检测后对梁板底部大量横向裂缝进行了封闭处理，将桥面两侧钢筋混凝土格栅式护栏更换为钢格栅式护栏。桥梁各部位再次出现的病害，对桥梁上、下部构件进行编号，巫山侧为编号起始端，如图1所示。

图1 桥梁构件编号

2.1 上部结构典型病害

全桥梁板两侧腹板表层局部存在细小网状裂缝。梁体除了位于圆曲线与缓和曲线相交处的一段近似直线的第8、9两跨外，其余各跨均存在明显向曲线梁外弧侧“横向爬移”的现象，且梁板与挡块完全抵死。20个支座橡胶板轻微外鼓，37个支座橡胶板有明显的剪切变形，曲线外侧支座占96%。

2.2 下部结构典型病害

9#、10#、11#盖梁位于小曲线段，左侧（以巫山至巫溪为行进方向）即外弧线侧挡块局部破损，且均存在1条延伸至盖梁的竖向裂缝，最大缝宽2.5 mm，如图2所示。

图2 桥墩盖梁挡块局部破损、竖向开裂

第1跨桥位处地面存在大量泥土、杂物堆积，墩柱周围边坡覆土松散，存在侧土压力不均现象，如图3所示。

图3 第1跨桥位处地面现状

2.3 桥面系典型病害

裂缝分布如图4所示。

图4 桥面铺装病害分布（单位：m）

桥面表层水泥混凝土铺装破损，局部形成坑槽，面积约0.08 m2，桥面共有5条纵向裂缝，总长达60.6 m，最大缝宽为2 mm。全桥5道伸缩缝均被沉积物严重堵塞，个别伸缩缝两侧保护带混凝土局部开裂。

3 曲线梁桥力学特征

曲线梁桥是一类全桥或部分桥位于圆曲线或缓和曲线上的桥梁，与直桥相比，弯曲梁体在曲率影响下力学特性更复杂。弯曲梁体的重心偏向外弧线侧，车辆从桥上通过时，存在偏心距的主梁截面在竖向荷载的作用下同时产生弯矩和扭矩，使梁体既在弯矩影响下产生竖向挠曲变形又在扭矩影响下产生沿径向指向外弧线侧的扭转变形。弯道处的支座反力受到曲率影响外弧线侧增大，内弧线侧减小，反力差促进了梁体扭矩的产生，使截面处于“弯-扭”耦合作用状态，此时主梁截面内弧侧主拉应力比相应的直梁桥大，内梁可能产生负弯矩，支座可能出现受拉或脱空现象，静荷载值与曲率半径的大小呈正相关，曲率半径越小负反力越容易产生[2]。

曲线桥梁下部结构受力情况同样非常复杂，弯道处每个墩柱受到垂直方向的力可能各不相同，特别是上部梁体产生较大扭矩时，靠内弧侧墩柱可能受拉。墩顶不仅承受汽车制动力、温度力、地震力等带来的水平力，还因为弯梁曲率的存在，承受离心力和预应力张拉时产生的径向力[3]。

4 病害成因分析

4.1 上部结构病害成因分析

梁体“横向爬移”的主要原因是设计阶段没有充分结合曲线桥梁的特性合理设置梁端横向约束，运营过程中受梁体自身恒载效应、混凝土收缩徐变和温度作用以及受行驶车辆影响等多种因素的影响发生偏移。

梁体自身恒载效应的影响，恒载作用下梁端内外弧侧支座反力分配不均匀，梁体内弧和外弧底部的支反力值之差随曲率半径的减小而增大，且内弧侧支座的竖向支反力变化的幅度逐渐增大。在不同的曲率半径下，曲率半径越小，梁体沿径向向外弧侧扭转的程度越明显，边跨最明显。

混凝土收缩徐变和温度作用的影响，曲线梁在温度作用下产生弧段膨胀性位移，即圆心角不变，弧段的半径向外侧增大[4]。混凝土是热的不良导体，不随着温度的上升或下降而膨胀或收缩，相应的混凝土构件必定在升温或降温时产生伸长或缩短现象。温度升高后，梁体因混凝土膨胀而向外偏移，温度降低后，梁体却无法快速恢复到原位，在循环温差反复作用下，长此以往偏移不断增大。

行驶车辆对曲线桥梁上部结构病害的影响，车辆行驶在曲线段，特别是小半径圆曲线上时，梁体将受到车辆自身重力、离心力和制动力等作用力。在这些移动荷载或冲击荷载的反复作用影响下，梁体的横向变形无法完全、及时地恢复，随着时间的推移，变形逐渐被积累，导致曲线段梁体产生明显的“横向爬移”，梁板开裂，梁下支座剪切破坏。内外两侧梁下支座的反力有时相差较大，汽车荷载偏置时，偏心的竖向荷载过大，导致外弧侧支座压缩变形，内弧侧梁体可能产生负反力，导致支座出现与梁体脱空的现象。

4.2 下部结构病害成因分析

设计规范没有明确给出墩顶局部受力发生变形和裂缝的限值，墩柱混凝土开裂问题尚未成为设计控制指标，且多数设计单位采用标准图，配筋数量不能满足实际要求而开裂。

对于混凝土曲线连续梁桥，同一墩柱内外侧支座反力有较大差距，各墩柱也会承受较大差异的竖向作用力。桥梁下部结构的水平力作用中，除了车辆制动力作用、温度变化引起的内力作用、地震力外，还额外受到汽车离心力以及预应力作用在侧向产生的水平力。在荷载长期反复作用下混凝土的徐变将导致混凝土的力学性能下降，混凝土材料的低周疲劳条件下抗拉强度的降低，裂缝容易出现和发展[5]。由于弯扭作用，弯梁产生较大的扭转变形，主梁外侧竖向挠度大于内侧，梁体在端部截面上可能会出现翘曲现象。9#墩位于小半径圆曲线段，在温度应力、车辆离心力及车辆偏载等作用下，上部结构易出现向曲线外侧“爬移”现象，梁板在横向位移与挡块抵死现象出现后，梁板“爬移”仍继续缓慢发展挤压挡块致使挡块开裂。经调查发现该桥左侧经常有重载车辆通过，且全桥伸缩缝均不同程度堵塞，考虑盖梁裂缝可能是车辆荷载作用以及伸缩缝不正常伸缩引起。梁板在不均匀荷载作用下产生应力集中使梁体变形，伸缩缝堵塞导致变形受到限制，此时盖梁承受瞬时荷载超过抗拉强度而开裂。

该桥跨越沟壑，桥位处河床未设铺砌，第1跨桥位处存在大量杂物堆积，本桥桥位处右侧存在1处滑坡体，2018年检测后对本桥周围滑坡体底部采用挡土墙进行了加固整治，本次检测时无相关的异常现象，无进一步滑塌的迹象，但墩柱的位置边坡覆土比较松散，还存在侧土压力不均的现象，导致桥墩产生较大的侧向变形，产生裂缝，情况严重甚至可能发生桥墩倾倒。

4.3 桥面系病害成因分析

桥面铺装层出现裂缝、破损的原因可能是施工过程中环境变化不均，在超载车辆的活载作用下，桥面板的挠度有所增大，特别是竖向变形增加。超载超过一定范围时，桥面铺装混合料在桥面板挠度的影响下变形较大，超载现象反复出现导致面层破损。

5 结语

通过对典型山区曲线梁桥的病害调查及病害成因分析，发现山区曲线梁桥由于运营条件复杂、管养力度较弱，极易产生梁体侧向移动、支座破坏等病害，必须加强对其用阶段耐久性重视程度，从设计最初阶段就充分结合线路实际情况模拟使用阶段各类荷载对桥梁耐久性的影响，制定合理应对措施。施工和后期运营方面均应提前制定合理的质量安全管理规划和实施方案，从根本上保证山区曲线梁桥生命期内的工作质量。