某公路桥梁工程箱梁整体侧向滑移成因及处置方案分析

段红卫

摘要 公路桥梁工程运营过程中，极易产生箱梁滑移现象，影响结构使用性能，威胁交通安全。为有效了解简支箱梁结构侧向滑移的具体成因，文章以某桥梁工程为背景，针对箱梁滑移原因及处置方案展开综合探究，通过现场质量状况调查，了解梁体滑移的具体情况，并确定了导致梁体滑移的相关因素。借助有限元3DPL软件构建成桥计算模型，对0.05、0.03、0.026三種摩擦系数条件下梁体侧向滑移情况进行模拟分析。结果显示：（1）梁体滑移主要是由支座使用不合理所致，同时桥侧堆土也在一定程度上加剧了箱梁滑移。（2）建议对桥梁实施复位处理，将简支箱梁一端滑动支座更换为板式橡胶支座，同时尽量避免在桥梁周围堆土，并加强沉降、变形的监测，确保桥梁运营安全。

关键词 桥梁工程项目；梁体滑移；有限元分析；处置方案

中图分类号 U445.4文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0078-03

0 引言

桥梁工程运营期间普遍存在梁体滑移问题，严重影响结构使用安全。通常状况下，梁体滑移主要与下列因素有关：①自身质量因素，如支座性能不合格，抗剪强度低等[1]。②施工因素，支座安装不规范，未按照施工规范要求设置调平装置[2]。③支座使用不合理，未根据桥梁结构形式选用合适的支座类。④外部荷载作用，如桥侧堆载过大或路桥结合处土压过大等[3]。某桥梁运营阶段梁体出现侧向滑移，该文借助有限元分析模型，对梁体侧滑原因进行模拟计算分析，确定了梁体滑移的主要原因，并提出了科学有效的处置措施，以期能有效提升桥梁稳定性，保证桥梁运营安全[4]。

1 工程概况

某桥梁工程为预制预应力箱梁结构，梁体长度24 m，下部结构为柱式桥墩，基础形式采用钻孔灌注桩，支座系统采用规格为LNR-d435×188型圆形滑动橡胶支座。桥面纵、横向坡度利用桥墩纵横向高差形成。经现场质量状况调查发现，箱梁整体出现侧向滑移，12#桥墩顶部左侧防护栏杆移位3 cm，右侧防护栏杆、伸缩缝产生较大变形。简支跨支座存在滑移问题，滑移距离为2～8 cm。其中，12#桥墩顶部的5个支座整体左移8 cm，11#桥墩顶部的5个支座整体右移4 cm。该桥梁周边区域地质状况良好，不存在滑坡、坍塌等地质灾害状况；病害跨外侧3 m处存在大量弃土，弃土长20 m、宽15 m、高4 m。

2 有限元计算原理

该项目模拟计算的难点在于支座体系与箱梁摩擦面之间的计算。该桥梁工程支座系统为LNR-d435×188型圆形滑动橡胶支座，支座与箱梁接触部位布设摩擦面。利用摩尔-库伦本构模型进行模拟计算[5]，此模型中的内聚力又称为黏聚力，模拟计算时为剪应力，计算公式为：

τ =c+σtanφ （1）

式中，c——黏聚力；σ——法向力；φ——内摩擦角；τ——剪应力。摩擦力F的计算公式为：

F=μN （2）

式中，F——支座与箱梁之间摩擦力；μ——摩擦系数；N——支座承受压力。式（1）、式（2）联立，并使c=0，因Aσ=N，μ=tanφ，能够得出：Aσtanφ=μN。由此可知，改变内摩擦角度数可使支座摩擦系数发生改变。

3 有限元计算分析

3.1 有限元模型

利用3DPL软件构建有限元模型，其长、宽分别为155 m和100 m。土体选用摩尔-库伦弹塑性本构模型，利用单元模块模拟桩基与周边土层作用情况[6]。土体、基础与梁体均通过10节点立面体单元进行模拟，成桥模型见图1所示：

3.2 计算参数

根据地勘资料得到土壤天然密度、粘聚力、内摩擦角等相关力学参数，并结合《工程岩体分级标准》确定泊松比、变形模量等指标[6]，详细数据如表1、表2所示。支座系统与梁体摩擦面利用摩尔-库伦本构模型进行模拟，在0.05、0.03、0.026三种摩擦系数下实施运算。

3.3 计算工况

工况1：施加土体重力荷载作用，形成初始应力，对土体初始状态实施模拟[7]。

工况2：基于工况1设置桩基、承台、桥墩、盖梁等构件，并模拟计算该状态下的土体与结构应变情况。盖梁设置坡度为0.02的横坡，盖梁模型如图2所示：

工况3：基于工况2设置上部结构，求出此状态下土体与结构的应力与变形。根据纵向桥墩高差设置桥面纵坡为0.026。支座与梁体摩擦系数按照0.05、0.03、0.026进行模拟计算，计算模型如图3所示。

工况4：按照工况3在12跨桥面布置交通荷载，并求出结构应力与变形，支座与梁体摩擦系数依次按照0.05、0.03、0.026进行计算。

工况5：基于工况3，在11#桥墩外侧3 m处，增设长、宽、高分别为20 m、15 m、4 m的土堆，详细模型见图4所示。

4 计算结果分析

4.1 支座影响

由模拟计算结果可知，支座与梁体间的摩擦系数?=0.05时，二者之间的变形较为协调，在自身重力及交通荷载作用下箱梁结构纵、横向变形均较小[8]；而当摩擦系数?=0.03或?=0.026时，第12跨箱梁纵、横向均出现明显滑动，详细情况见表3所示：

4.2 堆土影响

通过现场调查发现，11#桥墩外侧3 m处存在大量弃土，高度达4 m，模拟过程中分析堆土造成的影响。为防止支座摩擦力取值较小而影响模拟结果的准确性，模拟计算时摩擦系数取0.05。根据模拟计算结果可知，桥梁周边地质状况较好，其外侧堆土对桥梁结构影响相对较小，堆土前后11#桥墩顶部位箱梁结构由外偏0.6 mm变为内偏0.8 mm。

根据软件模拟分析得出工况5第12跨纵向滑动位移云图，其12#桥墩顶箱梁由外偏1.4 mm变为外偏1.6 mm，表明桥梁外侧堆土导致箱梁发生横向偏转，使11#桥墩顶部箱梁外偏量增大；根据软件模拟分析得出堆土时下部结构为第1主应力云图，该主应力小于1.0 MPa，低于混凝土桥梁结构设计标准中C30构件抗拉强度为2.01 MPa的规定。

5 病害成因分析及处置方法

5.1 病害成因分析

根据有限元模拟计算结果，对梁体侧向滑移原因进行分析，具体内容如下：

（1）简支箱梁两端支座均为LNR-d345×118型圆形滑动橡胶支座，因11#桥墩、12#桥墩顶部盖梁纵、横向存在0.026和0.02的坡度，支座与梁体间的摩擦系数依次按照0.05、0.03、0.026进行模拟计算。当?=0.05时，箱梁在重力荷载或交通荷载作用下均出现滑移；而当?=0.026或?=0.03时，箱梁在重力荷载或交通荷载条件下均出现了滑移。按照现行《LNR型水平力分散橡胶支座设计标准》，当温度处于?25～60 ℃时，此类支座摩擦系数?≤0.03，所以，箱梁结构产生滑移的根本原因在于摩擦力不足。

（2）模拟计算结果显示，桥侧堆土导致11#桥墩与顶部箱梁结构向左偏移增大，但整体增量较小。

5.2 处置方法

结合该桥梁病害具体成因，对箱梁侧向滑动实施复位处理，更换原有支座，改为板式橡胶支座。同时，强化桥梁运营阶段的变形监测，保证使用安全。

6 结论

综上所述，该文依托实际工程案例，并借助有限元模拟计算，系统分析了简支箱梁结构侧向滑移的主要原因，并提出了科学有效的處置方案。具体如下：

（1）简支箱梁结构产生梁体滑移的根本原因在于支座选型不合理，梁体两端不宜同时采用滑动支座，尤其当梁体纵、横向坡度较大，结构沿坡度方向的分力作用超过摩阻力作用时，便会引发梁体滑移。

（2）桥梁外侧堆土会在一定程度上影响桥梁结构受力，加剧梁体滑移，因此工程实践中应禁止在桥梁周边堆土。

（3）根据桥梁滑移形成的具体原因，对桥梁进行复位处理，将原始圆形滑动橡胶支座更换为板式橡胶支座，并加强后续的位移监测，保证桥梁运营安全。

参考文献

[1]张鸿志， 陈克朋， 杨建锋. 挂耳式连续梁纵向移位原因分析及复位设计研究[J]. 黑龙江交通科技， 2021（10）： 81-83.

[2]张佳弟. 钢箱梁制造工艺及焊接质量控制研究[J]. 中国设备工程， 2021（12）： 84-85.

[3]孙晓迈. 大跨径宽幅钢箱梁施工技术难点及关键技术[J]. 四川建筑， 2022（1）： 179-182.

[4]夏辉， 童锋. 探析钢箱梁制作中的关键工艺及控制措施[J]. 散装水泥， 2022（1）： 145-147.

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[6]张重阳. 桥梁上部结构梁体滑移分析及处治方案设计[J]. 广东交通职业技术学院学报， 2022（4）： 57-61.

[7]周钧. 连续曲线桥梁偏位成因分析及纠偏施工关键技术[D]. 郑州：郑州大学， 2020.

[8]张肖. 小半径曲线钢-混凝土组合梁桥爬移行为研究[D]. 西安：长安大学， 2020.