弯桥偏位和爬移典型案例和机理研究

李翠华，刘苗苗，彭卫兵，朱志翔

（浙江工业大学土木工程学院，浙江杭州 310014）

引言

目前弯桥上下部结构位移方面的病害研究很多，但都集中在影响因素和纠偏措施方面，缺少对病害科学系统的分类。本研究在调研国内多座弯桥位移案例后，将弯桥在上下部结构之间相对位移方面的病害分为2大类：偏位和爬移，并给出两者定义：偏位指在施工误差和墩柱倾斜作用下上部结构和下部墩柱发生了相对位移，包括刚体位移和变形体位移；爬移指在温度和离心力作用下上部结构发生横桥向不可恢复的位移，每类模式下都对应几个典型工程案例进行详细分析，说明此模式机理。然后选取某案例桥进行数值模拟分析，由于支座是连接上部结构和下部结构的部分，如果支座脱空，说明上下部结构发生了相对位移，而梁体中点和端点的位移可以说明上部结构是否发生了变形体位移。因此通过分析支座反力和中点端点径向位移随各因素变化而变化的情况，可以说明各外界因素对偏位和爬移的影响，为后续弯桥位移方面的病害分析提供参考。

1 偏位模式典型案例分析

经过对多个案例的分析总结，将弯桥偏位分为3类：上部结构梁体偏位、支座偏位、墩柱倾斜，均为刚体位移。以下通过4个案例桥对以上3种偏位模式进行详细说明。

1.1 上部结构梁体偏位

广东某高速公路匝道桥［11］第一联和第二联桥跨组合为4×20 m＋（30 m＋40 m＋30 m），双向四车道，桥面宽16 m。上部结构第一联为钢筋混凝土连续箱梁，位于半径为120 m的圆曲线上，第二联为预应力混凝土连续箱梁，部分位于半径为120 m的圆曲线，部分位于缓和曲线段和直线段上。在一次桥梁健康监测中发现，第一联2#固定墩和第二联6#固定墩两侧箱梁分别发生了向内和向外的径向位移，而固定墩本身并未发生任何位移，具体径向位移如图1所示。其中0#台上的伸缩缝顶死，4#墩支座滑板滑出钢盆40～50 mm。从偏位图可以看出，第一联和第二联分别绕2#和6#墩发生了转动。将某段梁体在桥面所在平面内围绕某一桥墩顺时针或逆时针转动的病害可归纳为上部结构梁体偏位。

图1 某匝道桥平面布置及偏位示意图Fig.1 The layout and deviation schematic diagram of a ramp bridge

不论直桥还是曲线梁桥，只要有相同的结构缺陷，如支座设置不合理、切向约束力不足等，都会发生切向偏位。因此，为更直观的表达此类偏位，采用某匝道桥直线联的纵向平动作为切向偏位。浙江某互通7号桥第二联为等截面预应力混凝土连续箱梁，左半幅配跨为21 m＋25 m＋23 m，右半幅配跨为23 m＋25 m＋21 m，发生向大桩号方向整体滑移的现象。该联箱梁5#、6#、8#桥墩盆式支座上钢板均明显随箱梁向大桩号方向滑移，我们将上部整个梁体沿着桥梁纵向移动的病害也可归纳为上部结构梁体偏位，如图2所示。

图2 浙江某互通偏位示意图Fig.2 The deviation schematic diagram of a ramp bridge in Zhejiang province

1.2 支座偏位

支座最大的偏位即支座脱空，长沙市某桥南北匝道除北匝道桥的B3D#～B4D#联是直桥段外，其余曲率半径均为50 m。其上部结构均采用整体式现浇箱梁，下部结构每联两端的桥墩采用单墩双支座，支座类型为QZ－1500DX球型单向支座，中间2个桥墩采用单墩单支座，支座类型为QZ－4000GD球型固定支座。其平面布置图图3所示。2021年7月28日、29日的检测中发现，N1X#、N4X#、N1D#、N4D#、B1X#、B4X#、B1D#、B4D#内侧支座均已完全脱空，现场典型支座脱空图如图4所示，且伸缩缝均出现不同程度的错位，最大B4X#错位45 mm，其余支座有不同程度的锈蚀。

图3 长沙市某桥平面布置及支座脱空示意图Fig.3 The layout and the bearing disengagement of a bridge in Changsha

图4 现场典型支座脱空图Fig.4 Typical bearing disengagement diagram on site

1.3 墩柱倾斜

墩柱倾斜包括横向倾斜和纵向倾斜，有些弯桥只发生其中一种，有些弯桥两者同时发生，这与桥梁周边的土质条件和有无堆土侧压力有很大关联。某城市曲线高架桥［12］上部结构采用25 m跨径的预应力混凝土小箱梁，桥面五跨连续。单幅桥面宽度为13.25 m，分左、右两幅。下部结构采用钢筋混凝土桩双柱式桥墩。该桥立面图和横断面图如图5、图6所示。在进行桥梁检测时发现大部分墩柱严重倾斜且部分墩柱出现环向裂缝，各墩柱的倾斜率分布见表1。经统计横向倾斜率大于3.0‰的墩柱占总体的70%，纵向倾斜率大于3.0‰的墩柱占总体的50‰，其中横向倾斜率最大达到16.8‰，纵向倾斜率最大达到11.8‰；左幅桥有5个墩柱出现不同程度的环向裂缝；右幅桥有9个墩柱出现不同程度的环向裂缝。

表1 各墩柱倾斜率统计表Table 1 Statistical table of inclination rate of each pier column

图5 某曲线高架桥立面图及纵向倾斜示意图Fig.5 Elevation and longitudinal tilt diagram of a curved viaduct

图6 某曲线高架桥横断面及横向倾斜示意图Fig.6 Cross section and lateral tilt schematic diagram of a curved viaduct

墩柱倾斜会加剧桥梁上部结构的偏位，甚至引起桥梁倒塌。经有关部门检测：该桥周边的土质疏松、地质条件差、且周边施工开发了大量堆土。这些条件共同造成了桥墩开裂和墩柱倾斜，此外上部结构横向纵向位移的带动也会使桥墩倾斜［13］。

2 爬移模式典型案例分析

发生爬移模式的弯桥梁体存在不同程度的径向位移，中间径向位移最大，向两端逐渐减小，爬移后的梁体曲率半径减小，发生了变形体位移。以下通过2个案例对爬移模式进行详细说明。

(6)判断是否终止 算法的终止条件主要由评价指标和迭代次数决定。量子个体满足收敛条件或者算法迭代一定次数时终止算法，终止条件可以根据实际情况进行调整。

郑州某立交桥第一、二、三联跨径布置分别为：4×25 m＋3×25 m＋（40 m＋51.5 m＋40 m），上部构造为预应力混凝土连续箱梁，桥宽9.5 m，单向双车道。2012年9月在对桥梁日常维护时发现1#至9#墩处主梁和支座发生了不同程度的径向位移，其中6#墩处位移最大为170 mm，整体径向位移呈现从中间到两端逐渐减小的弧形，其平面爬移图如图7所示，现场典型支座爬移图如图8所示。

图7 郑州某立交桥平面布置及爬移图Fig.7 Layout and creeping diagram of an overpass in Zhengzhou

图8 现场典型支座爬移图Fig.8 Typical bearing creeping diagram on site

深圳市某立交桥［14］A匝道桥第三联为6跨预应力箱梁桥，跨径组合为22.8 m＋35 m＋55 m＋39.9 m＋55 m＋32 m，曲率半径为255 m，梁端5#、11#墩采用2块板式橡胶支座，中间除8#墩处采用单向活动盆式支座外其余均为双向活动支座。该桥在成桥运营2年后，于2000年6月3日左右突发整体径向位移和转动事故，第三联5#、11#墩处支座向外侧滑移约180 mm，如图9所示。滑移发生前没有任何征兆，是突发性的整体径向滑移，我们将这种偏位模式定义为径向刚体平动。经现场检测得知，第三联匝道桥除端支座外中间支座均为双向支座，在外界因素的作用下，很容易发生大幅度径向位移，导致上部结构整体径向平动。在外界因素作用下向梁体径向爬移量逐渐积累，当支座拉力不足以抵挡梁体向外侧的偏位时，梁体整体向外侧移动，发生径向刚体位移。

图9 某立交桥平面布置及爬移图Fig.9 Plane layout and creeping diagram of an overpass

3 典型工程实例数值分析

为了深入分析弯桥偏位和爬移的主要原因，以长沙市三汉矶大桥B1X#～B4X#联为背景，采用Midas civil软件，按照桥梁的实际几何特征、边界条件和材料特性，并依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60－2015）等规范要求建立模型，如图10所示。对8种工况：恒载、收缩徐变、整体降温、整体升温、竖向温度梯度、横向温度梯度、车道偏载、支座沉降单独作用下的径向位移和支反力进行初步统计分析，结果如表2所示。

图10 模型平面图Fig.10 Model layout

由表2可知，除恒载外，另外7种因素单独作用下均会使支座产生负反力和向外侧的径向位移。收缩徐变产生的支反力较小且属于内在因素，在此不再分析。因此通过分析以下4种荷载组合下的支座反力和中点端点径向位移，明确各因素对弯桥偏位和爬移的影响，4种荷载组合即（1）基本组合＋整体升降温；（2）基本组合＋温度梯度；（3）基本组合（包括支座沉降）；（4）基本组合＋车道偏载，其中基本组合包括：自重、铺装、栏杆、沉降。

3.1 整体升降温的影响

根据荷载组合（1），分别计算出整体升降温10℃、20℃、30℃、40℃、50℃下各支座反力，以点线图的形式表示，如图11、图12所示，中点位移随整体升降温变化情况以柱状图的形式表示在图13中。

图11 各支座竖向支反力随整体升温变化Fig.11 Each bearing vertical reaction force changes with the overall temperature rise

图12 各支座支反力随整体降温变化Fig.12 Each bearing vertical reaction force changes with the overall temperature fall

由图11～图13可以看出整体升温使梁体中点产生径向向外的位移，端部内侧支座脱空，支座负反力随整体温度升高而增大，整体降温使梁体中点产生径向向内的位移，端部外侧支座脱空，支座负反力随整体温度降低而增大，并且由于曲线梁桥自身曲率的存在，在温度变化量相同的情况下，梁体中点向外的径向位移总是大于向内的径向位移，爬移量逐渐积累，弯桥梁体向外侧的位移逐渐增大，导致上部梁体的变形体位移，因此整体升降温对偏位和爬移均有影响。

图13 中点径向位移随整体升降温变化及位移差值Fig.13 The midpoint radial displacement changes with the overall temperature rise and fall and the displacement difference

3.2 温度梯度的影响

日照辐射使得混凝土箱梁沿截面高度和宽度产生较大温度梯度［15］。温度梯度分为竖向温度梯度和横向温度梯度，由于梁体上表面温度始终不会低于下表面温度，因此竖向温度梯度只计算正温度梯度，横向温度梯度计算正负温度梯度。根据《公路桥涵设计通用规范JTG－2015》将梁体上表面温度设为T1，距离上表面0.1 m处温度设为T2，距离上表面0.4 m处温度为0。在T2=6.4℃的基础上，分别计算T1=15℃、17℃、20℃、22℃、25℃时各支座反力和中点端点位移，如图14、图15所示。该案例桥为南北走向，外侧在东面，内侧在西面，根据该地光照环境和模型平面图Y轴正方向，将曲线桥的外侧温度大于内侧温度时设为横向负温度梯度，内侧温度大于外侧温度时设为横向正温度梯度，在荷载组合（2）的情况下，分别计算出正负温度梯度为±10℃、±20℃、±30℃、±40℃、±50℃时的支座反力和中点径向位移，如图16和图17所示。

图14 各支座竖向反力随竖向正温度梯度变化Fig.14 Each bearing vertical reaction force changes with vertical positive temperature gradient

图15 中点端点径向位移随竖向正温度梯度变化Fig.15 Radial displacement of midpoint and end point changes with vertical positive temperature gradient

图16 各支座竖向支反力随横向正负温度梯度变化Fig.16 Each bearing vertical reaction force changes with positive and negative transverse temperature gradient

图17 中点径向位移随横向温度梯度变化Fig.17 Radial displacement of midpoint changes with transverse temperature gradient

从图14可以看出，随着竖向正温度梯度增大，端部内侧支座B1X#内和B4X#内受拉，且负反力随正温度梯度的增大而增大，端部外侧支座B1X#外和B4X#外受压，压力随正温度梯度的增大而增大，中间支座B2X#和B3X#支座压力无明显变化，且明显大于端支座。从图15可以看出，竖向正温度梯度使得中点径向位移向外，两端点径向位移向内，可以推断上部梁体发生了变形体位移。因此竖向正温度梯度对偏位和爬移均有影响。

从图16可以看出，各支座反力随横向温度梯度的变化较缓慢，且没有出现负反力，因此横向温度梯度对支座反力的影响较小，不易造成支座脱空和墩柱倾斜的偏位模式。从图17可以看出，与整体升降温类似，横向温度梯度会使梁体中点产生径向位移，且径向向外的位移总比向内的位移大，随着时间的积累，向外侧的位移逐渐积累增大，会导致平面外弯曲的爬移模式。

3.3 支座沉降的影响

在荷载组合（3）的情况下，分别计算出支座沉降0、0.005 m、0.01 m、0.015 m、0.02 m下的各支座反力和中点端点径向位移，如图18、图19所示。

图18 各支座反力随地基沉降变化Fig.18 Each bearing vertical reaction force changes with foundation settlement

图19 中点端点径向位移随地基沉降变化Fig.19 Radial displacement of midpoint and end point changes with foundation settlement

可以看出，在支座沉降作用下未出现负反力，各支座反力随支座沉降量增大而减小，端部内侧支座B1X#内和B4X#内支反力最小，中间支座B2X#和B3X#压力明显大于端支座，因此端部内侧支座有发生脱空的趋势。支座沉降使梁体产生不同程度径向向外的位移，但位移量较小，径向位移随沉降量增大而增大，可推断上部梁体发生了变形体位移。因此支座沉降易导致爬移，不易导致偏位。

3.4 车辆偏载的影响

在荷载组合（4）的情况下，分别计算出偏载车道从中车道向外偏离0.85 m、1.05 m、1.25 m、1.45 m、1.65 m下的各支座反力和中点端点径向位移，如图20和图21所示。

图20 各支座反力随车道偏移距离变化Fig.20 Each bearing vertical reaction force changes with lane eccentric distance

图21 中点端点径向位移随车道偏移距离变化Fig.21 Radial displacement of midpoint and end point changes with lane eccentric distance

从图20、图21可以看出，随着车道越向外侧偏移负反力增大，端部B1X内#和B4X#内支座受拉，端部外侧支座B1X外#和B4X#外和中部支座B2X#和B3X#受压，压力无明显变化，中点和端点径向位移向外，位移量较大，且随偏移距离增大而增大。可见车辆偏载可能导致支座脱空和变形体位移，对偏位和爬移均有影响。

4 结论

弯桥偏位或爬移后将导致结构损伤，甚至桥梁整体倒塌，严重威胁到桥梁整体运营与安全。本研究在系统调研国内外相关文献的基础上，提出了弯桥在上部结构和下部桥墩相对位移方面的2种模式：偏位和爬移，并进一步分析了影响因素，主要得出了以下结论：

（1）提出了包含刚体位移和结构变形的2种位移模式，即偏位和爬移，实际工程中的位移病害往往是上述2种模式的叠加。

（2）根据支反力大小及其随各因素变化的斜率大小，可以得出：整体降温、整体升温对弯桥偏位影响最大，车道偏载和竖向温度梯度次之，横向温度梯度和支座沉降最小。

（3）根据在各因素作用下中点和端点径向位移大小，可以得出：整体升降温对爬移模式影响较大，竖向温度梯度、横向温度梯度、车道偏载次之，支座沉降最小。