连续箱梁弯桥横向爬移病害成因分析及处治方案

李永波

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司，沈阳 110001）

0 引言

近年来，随着我国桥梁建设的不断发展，曲线桥在城市立交和高速匝道上得到了广泛的应用。但曲线梁桥因弯扭耦合、支反力不均匀等复杂受力特征，使其受力机制与直线梁桥差异较大[1]，若设计时对影响结构安全的关键因素考虑不全面，则会使桥梁出现主梁爬移、桥墩开裂等病害。已有研究表明[2-7]，影响曲线桥爬移的主要内因有：几何偏心效应、主梁曲率半径、主梁截面形式、支承方式与支座形式、下部结构刚度以及预应力影响等；外部影响因素主要有：车辆荷载作用、温度作用、混凝土收缩徐变等。并针对上述影响因素，提出了一些具有借鉴意义的处治方法及设计、施工建议。为了明确导致曲线桥主梁产生横向爬移的最主要的原因，文中拟以一座高速匝道曲线桥为背景，通过计算，对该桥产生的横向爬移病害进行分析评估，继而提出有针对性的处治建议。

1 曲线桥爬移问题影响因素

1.1 内部因素

几何偏心效应与直线桥梁不同，即使是横截面左右完全对称的弯梁桥，其重心也是偏向外侧，并偏离主梁剪力中心的。并且曲线桥梁都会设置横坡，使外侧梁自重大于内侧梁，加大偏心趋势。因而，与直线梁桥相比，在自重作用下，曲线桥会有向外倾覆及爬移的趋势。

曲率半径是影响曲线梁桥爬移的主要因素之一。显然，在圆心角不变的前提下，曲率半径越小，曲线桥几何偏心效应越明显，梁端的侧向爬移（径向位移）越大。因此，爬移量与曲率半径成反比。

主梁截面形式，抗扭刚度越大，即弯扭刚度比（k=EI/GId）越小，因曲率而导致的扭转变形愈小，在外界荷载作用下侧向位移就越小；反之则越大。

支座预偏心、支承形式优化能有效限制曲线桥恒载+预应力作用下的爬移，并能有效降低全桥扭矩及扭转变形，但不能限制离心力作用下曲线桥的爬移。支座形式优化能有效限制曲线桥中离心力引起的爬移，但不能有效降低全桥扭矩及扭转变形。

下部构造特征直接影响到上部结构的受力和变形，对于弯梁桥而言，尤其如此。这主要是由于桥墩高度不同或截面尺寸不同使其抗推刚度不同所致。

1.2 外部作用

1.2.1 车辆荷载作用

车辆行驶在曲线梁桥上，车辆荷载对桥梁有竖向力（车辆重力、冲击力）、切向力（制动力）和径向力（离心力）3 种力的作用。车辆荷载的竖向力和径向力是导致箱体横向爬移的主要因素。其中，竖向力的荷载效应是使梁体发生扭转。对于径向力，则是直径使梁体横向滑移，而且梁体发生横桥向位移后，由于支座的摩擦力等因素的影响，在外荷载或引起其变化的因素消失后，侧向位移并不能全部恢复，故会产生横桥向残余位移的不断累积，即曲线梁桥的爬移现象。

1.2.2 温度作用

温度效应，包括年平均温差（整体升、降温）和日照骤变温差（内外温差和竖向梯度）。由于曲线桥内外弧长不同，易造成桥梁整体升温或降温过程中内外弧变形量不同，使曲线梁桥产生缓慢爬移现象。

1.2.3 混凝土收缩徐变

对于曲线梁桥而言，混凝土收缩、徐变的工作原理与整体降温作用基本一致。

2 工程案例

2.1 工程概况

某匝道桥，建成于2016 年。该桥跨径布置为（2×18+20+4×18）m；桥梁全长为135.06m；该桥平面位于R=200m 的圆曲线内，墩台按径向布置。桥面净宽为9.5m，两侧均设置宽度为0.50m 的混凝土护栏；桥面铺装采用沥青混凝土；有2 道型钢伸缩缝，分别位于0#、7#台顶。支座均采用盆式橡胶支座。上部结构为钢筋混凝土现浇连续箱梁，梁宽为10.5m，梁高为1.4m，具体尺寸见图1。

图1 主梁跨中横断面示意图（单位：mm）

下部结构：0#、7#桥台均为钢筋混凝土肋板式桥台，3#墩为钢筋混凝土圆形独柱墩，墩顶设1个固定支座，1#、2#、4#、5#、6#墩均为钢筋混凝土矩形独柱墩，墩柱截面尺寸均为2.5×1.2m（横桥向×顺桥向），墩盖梁高度均为1.8m，墩盖梁顶均设置2个支座，曲线内侧支座为单向活动支座，曲线外侧支座为双向活动支座，各桥墩墩高见表1，支座布置见图2。墩台基础均采用桩基础。设计荷载：公路-Ⅰ级。

图2 支座布置图

表1 各桥墩墩高

2.2 主要病害

根据检测结果及现场照片，如图3～图5 所示，该桥主要病害如下：

图3 4#墩盖梁曲线外侧挡块受箱梁挤压、开裂

图4 支座上钢板内侧限位板挤压破损

图5 3#墩底曲线内侧半环向裂缝

（1）第1～7 孔箱梁整体向曲线外侧发生横向移位，最大偏移3cm，1#、2#、4#、5#墩盖梁右侧挡块受箱梁挤压、开裂见图3，裂缝宽度为18～25mm；曲线外侧7个盆式橡胶支座横向限位钢板均脱焊见图4。

（2）3#墩身曲线内侧距地面0～4m 范围内，出现多条横向裂缝，宽度为0.2～0.4mm，最底部裂缝宽度最宽见图5。

3 病害成因分析

3.1 计算模型

采用空间有限元计算软件进行结构计算与分析，混凝土材料均采用线弹性材料进行模拟，计算模型如图6 所示。

图6 7 孔一联连续箱梁计算模型（曲线半径R=200m）

墩底基础采用固结约束模拟，各墩台顶支座形式见图2，活动支座刚度取值为0，固定支座刚度取值为1×106kN/m。

根据第文中分析，影响曲线桥横向爬移的外部作用主要是车辆荷载离心力、温度作用和混凝土收缩徐变。由于混凝土收缩徐变与整体降温作用机理基本一致，故计算时将二者合并考虑。

汽车荷载及制动力、离心力取值参照桥设计规范，JTG D 60-2015《公路桥涵设计通用规范》取值，汽车荷载为公路-I 级，按2 车道计算。温度：整体升温25℃，整体降温30℃。

3.2 结果分析

该桥为弯桥，产生横向力的主要作用是汽车荷载离心力和温度作用。为了明确导致该桥病害的主要原因，对上述两种作用产生的荷载效应进行了计算，计算结果见表2。

表2 支座横向剪力kN

计算结果表明：①离心力是导致曲线桥产生横向爬移的最主要的因素，温度作用产生的横向剪力仅为前者的3.5%～25%；②整体升温对中支点产生的剪力朝向曲线内侧，对边支点（或次边墩）产生的剪力朝向曲线外侧；整体降温产生的荷载效应与之相反；③3#墩顶固定支座受到的横向剪力较小，原因是3#墩相比其他墩柱刚度较小，故分担的横向力也较小；④除3#墩外，6#墩顶支座横向受力最小，原因是6#墩柱高度最大，横向抗推刚度最小，分得的力也就最小，这也解释了，全桥1#、2#、4#、5#、6#墩中，仅有6#墩盖梁挡块未发生破损的原因。

3.3 病害分析

根据上述文中计算结果可知，该桥主要病害成因分析如下：

（1）导致该桥主梁产生横向爬移的主要因素是汽车荷载离心力，次要因素是温度作用。

（2）3#墩墩柱底部出现横向受弯裂缝，主要是因为其他墩顶支座横向限位钢板已失效，导致3#墩承担了较大的弯矩和剪力。

3.4 病害处治

由于该桥主梁已发生整体爬移，且支座横向限位已失效，首先应对梁体进行顶升、复位，并更换破坏的支座。该桥1#、2#、4#、5#墩盖梁曲线外侧挡块均受主梁挤压，产生严重的开裂，需要将其凿除并重新浇筑。3#墩墩柱底部出现受弯裂缝，需对其进行抗弯加固，由于3#墩位于下穿路线中央分隔带，采用增大截面法进行加固将侵占下穿道路建筑限界，故建议对3#墩柱采用粘贴纤维布法进行加固。

汽车荷载离心力是导致曲线桥产生横向爬移的最主要的因素，为了防止该桥在主梁复位后再次产生横向爬移，可采取的措施有：

（1）加强该桥的限载、限速措施，严禁超载或超速行驶。

（2）独柱墩增设支座或改为多柱墩；③增设弹性侧向支承或横向限位装置。

鉴于该桥仅3#墩顶采用单支座，其余墩台顶均已采用双支座，且3#墩受限于建筑限界，无法改为多柱墩（或在墩顶增加小盖梁并增设支座）。故上述措施②不适用于该桥。措施③中，优先考虑在梁体和新浇筑挡块间设减隔震橡胶块，一是减隔震橡胶块安装方便；二是减隔震橡胶块能有效防止梁体与挡块间因直接接触而发生挤压破坏。

结合上述分析和桥梁病害现状，对该桥提出如下处治方案：

（1）加强该桥的限载、限速措施。

（2）对该桥梁体进行顶升、复位，并更换破坏的支座。

（3）将破损的挡块凿除并重新浇筑，并在梁体与挡块间设置减隔震橡胶块。

（4）对3#墩柱采用粘贴纤维布法进行加固。

（5）彻底清除梁端、伸缩缝槽口垃圾，保证梁体的正常变形不受限制。

4 结语

文中通过分析曲线桥产生横向爬移的影响因素并结合计算分析，可以得出如下结论：

（1）汽车荷载、温度作用和混凝土收缩徐变均会导致曲线桥产生横向爬移，其中汽车荷载离心力是主要原因。应重视曲线桥的限载、限速措施。

（2）整体升温对中支点产生的剪力朝向曲线内侧，对边支点（或次边墩）产生的剪力朝向曲线外侧；整体降温产生的荷载效应与之相反。

（3）采用合理的支承方式和支座形式，可以有效限制曲线桥的横向爬移，但前提是支座和横向限位挡块未发生失效。桥墩抗推刚度对曲线桥横向作用力的分配影响较大，设计时应尽量避免各墩柱高度差异较大的情况。

（4）综合考虑该桥现状及病害主要成因，对该桥提出的处置措施主要有：加强限载、限速措施；对梁体顶升复位，并更换支座；凿除开裂挡块后重新浇筑，并在梁体与挡块间设置减隔震橡胶块。