预应力混凝土斜弯组合箱梁爬移成因分析及防治措施研究

曹晓远

（中交远洲交通科技集团有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

在高速公路立交区和城市高架桥设计中，桥梁总体布置易受河流、被交道路和管线等各种障碍物的影响。此时，桥墩可利用空间狭小，往往只能在指定位置或呈某一固定角度设置。加之线形曲折变换，桥梁的斜弯组合几乎不可避免[1]。在斜弯组合桥梁设计中，上部结构一般采用预制或现浇结构。预制结构适用于半径较大，斜交角较小等情况，并且受桥面宽度及斜交角度的影响，构件种类繁多，模板复杂，施工较为困难。现浇结构因其具有适用范围广，整体性好，结构抗扭刚度大，形状符合实际需要，外观简洁且方便施工等优点在互通立交区被广泛应用。同时，斜弯组合现浇梁也存在受力复杂，计算困难等缺点，并且建成后较易出现梁体爬移、支座错位等问题。严重时，桥梁甚至会出现支座破坏、梁体开裂等一系列病害，危及结构安全。因此，工程师在桥梁设计和运营维护期间，不仅要对该种桥梁做好充分的比选和计算，还要建立后期位移监测机制，一旦发现问题及时解决，保证行车安全。

1 工程概况

本座特大桥位于某高速公路互通区范围内，为跨越泄洪渠而设。小桩号侧与绕城高架桥连接，大桩号侧与路基相连。上部结构采用预应力混凝土现浇连续箱梁和预应力混凝土先简支后连续小箱梁；桥墩为柱式墩，基础为钻孔灌注桩基础。

因泄洪渠排水需要，本桥2号～13号墩采用顺水流方向斜交布置，此时桥墩轴线与路线右偏角为135°；又因15号墩前方紧邻一地方道路（县界路），迁改难度大，故此墩轴线与路线呈90°设置；为实现桥墩斜交角的平稳过渡，14号墩轴线与路线呈120°设置。10～18号墩桥型布置图详见图1。

图1 某特大桥10～18号墩桥型布置图（单位：cm）

为满足结构要求，设计时将13号墩～15号墩设定为本桥第六联，采用预应力混凝土斜弯组合连续箱梁。该梁跨度为19+16m，桥面宽13.75m，梁高1.6m，翼缘宽2.0m，箱室宽9.75m。箱梁采用单箱双室结构，每道腹板均配置6根（竖向3排，横向2排）钢束。该梁平面位于半径R=800.015m的圆曲线及缓和曲线上，如图2和图3所示。

图2 某特大桥第六联立面布置图（单位：cm）

第六联斜弯组合连续箱梁采用盆式橡胶支座。13号墩位置为三支座布置，支座型号为JPZ（Ⅱ）-4.0型，除钝角处采用单向支座（顺桥向活动）外，其余两个均为双向支座；14号墩位置为三支座布置，支座型号为JPZ（Ⅱ）-4.0型，除钝角处采用固定支座外，其余两个均为单向支座（沿桥墩轴线方向活动）；15号墩位置为双支座布置，支座型号为JPZ（Ⅱ）-5.0型，靠近路线中心线处为单向支座（顺桥向活动），远离路线中心线处为双向支座，详见图3。

图3 某特大桥第六联平面布置图（单位：cm）

桥位处受历史河流冲积影响，地形平坦，土层以粉质黏土、细砂、细中砂和粗砂为主。结合钻孔资料和各种桥型特点，通过多方案比选，最终确定本桥下部结构采用钻孔灌注桩基础、工或王字形承台、柱式桥墩、矩形或平行四边形盖梁；上部结构采用现浇箱梁，利用满堂支架法施工。施工单位依据施工图纸，制定详细进度计划，按时完成所有项目，并同时做好了施工记录工作。

查阅施工记录可知，2018年3月施工单位对第六联下部桩基进行钻孔，6月施工墩柱，7月浇筑盖梁，2019年3月初浇筑垫石，3月底浇筑梁体，6月施工桥面铺装和混凝土护栏等附属设施，12月通车运营。

2 主要问题

本桥建成通车18个月后，即2021年5月，管养单位在巡查中发现第六联斜弯组合箱梁存在梁体爬移、支座错位、垫石破损以及梁端塞满杂物等问题，具体问题如下。

2.1 梁体爬移

第六联斜弯组合箱梁与前一联梁体之间缝隙不均，翼缘外边线出现明显错位。经测量，第六联梁体相对于第五联梁体向主梁的锐角方向爬移了4.3cm；但相对于第七联梁体，第六联几乎没有相对位移。

2.2 支座错位、垫石破损

梁体小里程侧相对于桥墩，明显向主梁锐角方向爬移，导致设置在13号桥墩上的盆式橡胶支座出现上下钢板错位的情况。钝角处单向支座因活动方向与梁体位移方向不一致，且梁体爬移位移较大，支座限位装置与下钢板碰触，因此将梁体所受外力向下传递至垫石。在外力作用下，支座垫石沿锚栓连线方向纵向开裂，造成垫石破损。13号墩另外两个支座仅出现上下钢板错位的情况，其下垫石完好。14号墩和15号墩支座上下钢板错位很小，可以忽略不计；其下垫石完好。

2.3 梁端塞满杂物，伸缩缝工作异常

第六联斜弯组合箱梁与前后联梁体及下部盖梁高顶帽间均塞满混凝土、碎石、破布袋等杂物。伸缩缝被杂物堵死，工作状况异常，已经失去伸缩功能。

除上述问题外，第六联主梁梁体顶、底板和腹板，墩柱及盖梁均未发现裂缝，整体状态良好。

3 理论模型计算

根据施工图纸，在Midas有限元分析软件中，对第六联斜弯组合箱梁采用建模助手工具建立梁格模型，对整体式箱型截面进行分割，按多主梁计算。同时，根据刚度等效原则，自动生成虚拟梁，计算横向分布效应。需要特别注意的是，虚拟横梁及截面位置要和图纸一致。

依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）要求，对梁格模型施加了多种作用，模拟其从施工到运营各阶段状态，计算分析梁体内力及支座受力情况。梁体计算作用效应组合详见表1。

表1 梁体计算作用效应组合表

其中，永久作用包括结构自重、收缩徐变、预应力和支座沉降等；同种组合取包络，本表未计列。

运行计算模型，得出以下结论：

（1）施工阶段混凝土应力满足要求。

（2）正常使用极限状态和承载能力极限状态下应力及挠度验算满足要求。

（3）在温度力包络组合下，13号墩三个支座中，钝角处支座支反力为16kN，水平力为24kN；中支座支反力为47kN；锐角处支座支反力为181kN。

（4）在标准组合下，13号墩三个支座中，钝角处支座支反力为2 993kN，水平力为497kN；中支座支反力为2 691kN；锐角处支座支反力为3 192kN。

4 修正模型计算

由于第六联斜弯组合箱梁与前后联梁体及下部盖梁高顶帽间均塞满了杂物，梁体不能自由伸缩，与设计初衷不符。故根据现场实际情况，将模型做部分修正，在梁端顺桥向设置较大刚度值（1×105kN/m）的弹性连接，不让其自由活动，其余参数不变。

运行计算模型，得出以下结论：

（1）在温度力包络组合下，13号墩三个支座中，钝角处支座竖向反力为-28kN，纵向水平力为837kN，横向水平力为837kN；中支座支反力为134kN，纵向水平力为485kN；锐角处支座支反力为194kN，纵向水平力为458kN。

（2）在标准组合下，13号墩三个支座中，钝角处支座竖向反力为3 048kN，纵向水平力为1 644kN，横向水平力为936kN；中支座支反力为2 623kN，纵向水平力为1 051kN；锐角处支座支反力为3 174kN，纵向水平力为961kN。

5 爬移成因分析

通过理论模型和修正模型分析，得出以下结论：

（1）梁体设计满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）要求，支座型号选取和支座布置合理。

（2）当梁端可自由伸缩时，温度力包络组合及标准组合下，支座受到的支反力和水平力均较小，且在支座可承受范围内。

（3）当梁端不可自由伸缩时，温度力包络组合及标准组合下，支座受到的支反力和水平力均较大，且超过了支座可承受范围。

综上所述，限制梁端位移和温度力的综合作用是引起本联梁体爬移、支座错位等问题的主要原因。

随着温度的变化，梁体顺桥向会发生热胀冷缩。此时，如果梁端可以自由伸缩，则这种温度效应不会引起箱梁横向移动。但如果梁端被杂物塞满不能自由活动，温度效应的累积会使梁体端头受到较大的挤压作用，这一作用力的水平分力将使梁端产生横移。横移达到一定阶段就会引起支座错位，甚至垫石破损等问题[2]。

6 防治措施

为更好地满足梁体安全需要，减少梁体横移对运营的影响，决定采取以下措施进行防治：

（1）维持现有支座系统不变，清理伸缩端处及支座周围杂物，对垫石破损部位进行局部修复。

（2）加强限位措施，在盖梁上增设限位装置，同时用橡胶垫将挡块与主梁间空隙填实，经过限位加强之后，可以正常使用。

（3）加强变位处位移观测。

7 日常观测方案

7.1 测点布设

为方便观测梁体位移，在第六联箱梁和下方桥墩盖梁上布设观测点，测点上粘贴反光膜片。箱梁上观测点可将支架外伸。具体布设位置如下：

（1）在箱梁端头和中横梁内外侧翼缘板下方设置观测点，观测点要尽量靠近翼缘板外边缘。

（2）沿路线前进方向，在箱梁13号、14号墩支座前底板下方，距离盖梁15cm处，设置观测点。

（4）在13号、14号墩盖梁大里程侧竖直面上粘贴反光膜片。每个盖梁共设置反光膜片3片，均位于盖梁顶以下1m。其中1片贴于盖梁横向中点，另外2片贴于盖梁边缘内1m处。

7.2 观测方法

基于现场基准点，采用全站仪对观测点进行观测。

7.3 观测频率

日常观测方案应按照表2执行。

如发现以下情况应及时上报：①累计观测位移大于2cm；②观测位移出现明显波动；③其他影响结构安全情况。

位移达到稳定不再继续增加后，按照《公路养护技术规范》（JTG H10—2009）进行日常养护。

8 结语

本文通过对预应力混凝土斜弯组合箱梁桥进行建模分析，确定了其在运营阶段出现的梁体爬移、支座错位等问题的主要成因，提出了可行且有效的防治加固措施和位移监测机制，为同类桥梁的设计和维护提供了参考和依据。