曲线匝道桥梁体横向滑移的成因分析与处治

郑 超

曲线匝道桥梁体横向滑移的成因分析与处治

郑 超

郑 超

郑州市交通规划勘察设计研究院

曲线匝道桥一般平面半径较小，横向滑移现象较为突出。本文通过工程实例，结合空间计算软件midas civil对支座横向受力进行了检算并与实测数据进行了比对，通过分析总结出横向梯度温度和离心力是梁体产生横向滑移的主要原因，并针对性地提出了合理有效的治理措施。

1 引言

近年来随着国内经济的快速发展、公路路网及城市道路交通量的不断增大，为了解决交叉道路间交通流的转换，互通式立体交叉的数量也在不断增多。曲线匝道桥作为互通式立体交叉的重要组成部分，作为小半径弯桥的代表桥型，其典型的支座脱空、梁体横向滑移、翘曲、横向失稳等病害现象也越来越突出，不仅影响行车舒适性，并且产生较大的安全隐患。为了有效地对此类病害进行处治，首先需要对曲线匝道桥的病害成因进行分析，进而针对性地提出处理措施，以消除病害确保桥梁处于健康、安全的运营状态。

2 工程实例

某互通式立交匝道桥平面位于R=300m圆曲线和缓和曲线上，该桥上部构造为3×25+4×25+（37.5+45.7+45.7+37.5）+4×25+3×25m的预应力混凝土连续箱梁，单箱单室截面，桥宽9.5m，联与联之间采用牛腿搭接，全桥共5联。该桥下部结构采用花瓶型独柱桥墩，设双支座，基础为双柱（单排）或四柱（群桩）钻孔灌注桩基础，基础与墩身间采用承台连接，桥台为轻型薄壁式桥台。

图1 匝道主梁支座横向滑移示意图

主梁和支座横向滑移集中出现在第3联，其它联没有发现明显的病害。第3联的11#墩处主梁、支座向曲线外侧滑移最大，滑移值40cm； 10#、11#墩支座限位钢板剪断，11#墩支座橡胶体弹出破坏梁体混凝土。

3 梁体横向滑移原因分析

按照影响梁体横向滑移的因素的不同，分两种工况分别对第3联桥梁支座横向受力进行计算分析。

主要计算参数：

设计速度：60km/h

设计荷载：城-A级，（并用公——Ⅰ进行验算）

整体温度：整体升温30度，整体降温25度

竖向梯度温度：顶板梯度温度按10度考虑

桥梁最大纵坡：2.8％

（1）支座横向受力检算（按规范不考虑箱梁横向梯度温度力及汽车离心力）

验算采用MIDAS CIVIL计算软件，根据桥梁平面线形建立模型进行上、下部结构的整体模拟与受力分析，支座横向受力验算考虑了上部箱梁的整体升降温和竖向梯度温度、纵向预应力及横向风力产生的水平力。

按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D62-2004）第4.3.3条规定和《公路桥涵设计通用规范》（JTG D62-2004）第4.3.10条文解释中规定，先按不考虑汽车离心力和横向梯度温度作用进行验算（见表1）。

表1 第3联各桥墩支座水平力计算一览表

经计算分析证明：按原设计规范标准匝道桥第3联各桥墩支座设计横向承载能力满足要求，且有较大富余度。

（2）支座横向受力检算（考虑箱梁横向梯度温度力、汽车离心力的影响）

支座横向力验算除考虑了箱梁整体升、降温和竖向梯度温度、纵向预应力、横向风力产生的水平力外，还考虑了对本桥影响较大的横向梯度温度力作用产生的水平力。（横向梯度温度：箱梁内侧腹板与外侧腹板温差按10度考虑；离心力计算公式：F=车辆荷载标准值*C，其中C=V2/127R）（见表2）。

表2 第3联各桥墩支座横向力计算一览表（计入横向梯度温度及离心力）

从表2结果中可以看出：在计入箱梁横向温度梯度的影响及汽车离心力的影响后，第3联10#墩及11#墩处的支座水平力已超出其对应型号的承载力最大值，而实测的桥梁支座水平向位移较严重的位置为：11#墩处水平位移（40cm），10#墩处水平位移（22cm）。

（3）横向滑移原因分析

通过上述计算结果的对比分析，结合桥梁所处的交通环境，总结出梁体产生横向滑移病害的原因如下。

1）现行桥梁设计规范对温度力的解释：依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D62-2004）第4.3.10条文中的解释，规范中在计算桥梁温度力影响时只考虑了箱梁竖向的梯度温度作用而没有考虑箱梁横向梯度温度的作用。但是根据其他工程病害实例的分析论证，横向梯度温度对曲线桥横向滑移效应的影响较大，并且本桥的位置大致为西北至东南走向，在夏季高温天气时，桥梁东侧完全处于太阳西晒的位置，与西侧桥梁相比该侧的温度影响更显著，从而造成两侧腹板间的温差较大，使得结构产生不可忽略的温度作用力。在考虑了该效应后，根据计算结果，横向梯度温差产生的水平力占支座总水平力的比例较大，也是支座限位挡块产生破坏的主要原因之一。

2）该桥目前车流量极为繁忙，超载、重载车辆较多，桥梁的实际通行荷载可能大于设计荷载，导致车辆离心力造成梁体所受的离心力过大。

3）部分支座实际安装为限制纵向活动与设计不符，支座的横向限位不足。

4）桥梁纵坡大，支座约束破坏后车辆制动力加速梁体移动。

5）桥梁各桥墩处缺少限位装置，加剧梁体的横向爬移。

6）对于预应力钢束产生的扭矩认识还不太全面，计算分析中可能未计入预应力对扭矩的影响以及梁体混凝土自身的收缩、徐变等因素。

4 处治措施

根据以上成因分析，要有效的消除横向滑移现象并保证不会反复，首先需要将滑移的梁体进行复位，墩顶加宽加厚后增设抗震挡块，然后对破坏的支座予以更换，采用水平位移大、适应大转角的球形减震支座，同时考虑到施工的可操作性和安全性。

（1）完善桥梁抗震设施

对桥墩进行改造施工，在墩顶处加宽加厚；在桥墩和分联的牛腿处增设混凝土抗震挡块，并在每个挡块处均设减震橡胶垫块。

（2）对梁体进行顶升与复位

通过在盖梁端部增设千斤顶台座和沿盖梁长度方向的横向预应力束，对箱梁梁体先顶升再横向复位。梁体顶升前必须清除梁端及底板杂物，解除支座约束，使得梁体能够自由伸展。对梁体横向位移大于10cm处桥墩进行复位处理，横向复位的数值为梁体横向移位量的一半（部分复位）。

为保证顶升过程中梁体位移及梁体应力控制在设计范围内，并确保顶升过程中的安全控制，在施工中应全过程设立第三方施工监控。施工前主要是对各监测点取得各项监测参数的初值，如观测点坐标情况、标高等。整体顶升复位时包括顶升、复位、支座更换等过程的监测。监测内容主要包括位移监测、桥梁的整体姿态监测、控制断面监测等。

（3）支座更换

匝道桥原来使用的支座为GPZ（II）型盆式橡胶支座，支座更换拟采用原支座上钢板螺栓孔，对限位支座通过补加孔位加强支座抗剪能力；新支座采用减震型球形支座，球型橡胶支座具有传力可靠，各向转动性能一致，不仅具备盆式橡胶支座承载能力大、水平位移大的特点，而且能适应大转角的需要特别适用于曲线桥。支座的水平承载力不小于竖向承载力的15％，支座各项性能不低于《球型支座技术条件》（GB/T17955-2000）标准要求。

通过以上治理措施的实施，目前桥梁各观测指标均处于正常范围，运营使用状况良好。

5 结语

对于建设时间较早的、已经出现横向滑移病害的类似桥梁，通过加强抗震构造措施、顶升复位、调整支座预偏心、更换支座形式的方式能有效解决曲线匝道桥的滑移病害。对于新建桥梁，建议在考虑常规的恒载、活载、混凝土收缩徐变、整体升降温、竖向梯度温度、预应力等荷载作用外，还应考虑横向梯度温度、离心力的影响，通过设计合适的梁体构造形式、调整支座预偏心、优化支座形式等方式来预防和阻止曲线桥梁横向滑移现象的发生。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.056