某高速公路匝道弯箱梁横向偏位原因分析及加固研究

卢传忠

江苏沿海高速公路管理有限公司（224500）

某高速公路匝道弯箱梁横向偏位原因分析及加固研究

卢传忠

江苏沿海高速公路管理有限公司（224500）

以某高速公路匝道为例，对弯箱梁横向偏位的原因进行分析，并进行了现场检测，提出了将D80伸缩缝更换为D160伸缩缝，板式支座更换为盆式支座并增设限位挡块的处理方案。

弯箱梁；横向偏位；理论分析；加固；限位挡块

在温度、车辆等荷载作用下，弯箱梁侧向、纵向和扭转位移等病害较为常见[1-2]，极易发生事故，严重影响道路行车安全，对此病害应予以足够重视。某高速公路互通匝道桥右幅在定期检测中发现梁体沿径向向外侧滑移14.5cm,业主随即委托相关单位进行了详细检测,根据检测结果进行了理论分析，最终制订了抢险加固方案。

1 桥梁概况

某高速公路互通匝道桥上跨主线，桥梁总宽15.5m，左右分幅，单幅桥宽7.75m，上部结构采用十孔一联的等高度钢筋混凝土连续箱梁结构，跨径布置为（4×20+2×25+4×20）m，全长217m。本桥0#孔部分位于缓和曲线段A=63m，其余全部位于R= 800m的圆曲线上，竖曲线变坡点位于5#墩处，坡度为3%，坡长212m。设计荷载为汽车-超20级，挂车-120。

箱梁为单箱单室截面，断面高度1.3m，顶板厚20cm，底板跨中厚15cm，支点处厚20cm，腹板跨中厚30cm，支点处厚50cm。0#孔部分箱梁进入超高段，超高通过箱梁顶设置三角垫层实现。

4#～6#墩采用等截面圆形独柱墩，墩柱直径1.25m，墩高约7.0m，墩台基础按径向布置，墩顶布置普通圆板式橡胶支座。其余桥墩均为花瓶墩，墩顶布设四氟滑板橡胶支座，如图1所示。

图1 桥梁平面布置图

2 现场检测结果

根据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/TH 21-2011），对该桥进行详细检查，主要情况如下:

2.1 梁体滑移

右幅梁体（曲线外侧）在平面内径向向外侧滑移,梁体楔块中心线远离支座中心线，其中3#、4#和5#墩上梁体偏移量分别为11.4cm、11.9cm和14.5 cm。在0#、10#桥台处梁体暂未与挡块横向顶死。4#墩1#支座楔块有7个圆环印记，从外向内的间距依次为1.5cm、4.8cm、1.2cm、1.0cm、2.1cm、0.5 cm和0.8cm。梁体偏移量明细表见表1.

表1 梁体偏移量明细表（cm）

2.2 支座变形

6#墩1#支座横向剪切变形35°（如图2所示），其余支座均未剪切变形，也未脱空。3#墩1#支座已移动，其余支座本身未发生移动。

图2 6#墩处梁体滑离支座

2.3 伸缩缝堵死

台背与梁端已堵死,伸缩缝不能伸展（如图3所示）。

图3 10#台顶伸缩缝堵塞

2.4 车辆荷载调查

在发现病害后，立即调查该桥在本年度各月车辆情况。调查发现，桥在该年度车辆荷载逐月有增加的趋势。该桥10月和11月的超重车辆通过较多，个别日期出现多辆120t重车（非挂车）连续经过收费站的情况。

3 理论分析

3.1 计算参数

参照《公路桥涵设计通用规范》(JTJ021-89)及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85，以下简称《桥规》），制动力按桥墩墩顶与其上的支座集成刚度分配，对设置四氟滑板支座的桥墩，不考虑承受制动力，因此制动力分配给4#、5#和6#墩。荷载组合如下:组合I:1.0×恒载效应+ 1.0×汽车荷载效应+1.0×收缩徐变；组合II:组合I+ 1.0×其他效应（温度等）；组合III:组合I+1.0×挂车效应。

3.2 模型的建立

采用MIDASCivil2015建立全桥模型，总共建1274个节点，1226个单元。考虑各桥墩的集成刚度，模型中采用弹性连接模拟圆板橡胶支座竖向刚度、剪切刚度和转角刚度；用弹簧按“m”法考虑桩土共同作用，单元长度0.5m，按实际截面建立梁体、桥墩，并考虑平纵曲线对结构的影响。

3.3 原结构计算分析结果

根据《桥规》5.5.3可知，梁体最不利截面内力数据（见表2）均符合下列公式，因此梁体可不进行构件的抗扭承载力计算。

表2 梁体最不利截面内力表

其中:Vd——剪力组合设计值；Td——扭矩组合设计值；b——箱型截面腹板总宽度；h0——箱型截面有效高度；Wt——截面受扭塑性抵抗矩。

表3 梁体抗弯承载能力验算表

从表3可以看出，梁体抗弯承载能力满足正常使用要求。

表4 梁体裂缝宽度验算表(mm)

从表4可以看出，梁体裂缝宽度在组合I作用下均小于0.2mm，在组合II和组合III作用下均小于0.25mm，满足正常使用要求。

综上所述，原设计支座承载能力满足正常使用要求。

3.4 边界条件改变对结构的影响

梁体梁端受约束刚度大于中间各墩时，整个弯梁桥在平面内可视为一座水平面内的两铰拱桥，由于桥梁竖曲线纵坡大，整个弯梁桥在竖向也可视为一座两铰拱桥。

表5 边界条件改变对结构的影响(kN)

从表5可以看出，当温度升高时会导致墩顶反力减小，径向水平力增加。当梁端受约束时，在温度升高和离心力等综合作用下，支座径向滑动力大于支座摩阻力时，会出现梁体向外侧滑移。

4 病害原因分析

根据现场检测及理论分析,梁端受约束时，温度升高产生的径向力+多辆重车产生的离心力（极端情况）超过支座摩阻力，则引起横桥向位移，在外荷载消失后，横向位移并不能全部恢复，形成残余位移。当温度降低、梁体收缩后，梁端与伸缩缝存在间隙，梁端会向平面外有微小移动；当温度升高至一

定程度时，梁体伸长后，梁端与伸缩缝之间间隙被填满的同时,梁端受约束,当极端情况再发生时,又引起横桥向位移。如此情况反复发生，横桥向多次残余位移累积，形成目前梁体径向向外滑移的现象[3]。

5 加固方案研究

根据病害原因分析，针对桥梁径向向外爬移量大的现象,在桥梁抢险加固之前限制超重车辆通行，并跟踪观察关键墩处梁体的偏移量。

鉴于梁体滑移后承载能力和使用性能没有明显劣化，顶推箱梁复位意义不大，板式支座使用年限受影响，应在原位进行抢险加固，考虑两种加固方案，如表6所示[4-5]。从表中可以看出，D80伸缩缝改为D160伸缩缝及设置侧向限位装置为两方案相同部分，更换伸缩缝有利于恢复结构边界条件，改善桥梁目前受力状态。增设限位装置可以防止极端状态下落梁事故的发生，保障桥梁运营安全。

表6 两种加固施工方案对比

方案一将所有板式支座更换为盆式支座，计算结果显示，其支座反力及结构内力变化不大，离心力变化如图4所示。从图中可以看出，更换盆式支座后，独柱墩墩顶离心力降低23%～56%，各墩顶盆式支座共同承受离心力荷载，结构受力更为合理。立柱和桩基的承载能力和使用性能均能满足正常使用要求。

图4 方案一结构离心力对比（kN）

方案二将独柱墩与梁体进行固结，根据计算结果，梁体承载能力能满足正常使用要求，但在组合I作用下裂缝宽度超过《桥规》0.20mm的规定，不能满足正常使用要求，如表7所示。

表7 方案二5#墩顶裂缝宽度验算

方案二5#墩立柱承载能力验算结果如表8所示。从表中可以看出，其内力设计值超过结构抗力约1.1倍，不能满足要求。

表8 方案二5#墩立柱承载力验算

综上所述，方案二结构裂缝验算及墩柱承载力验算不符合要求。方案一结构内力及支座反力变化不大，离心力大幅减少，结构受力较为合理，因此确定方案一为最终加固方案。

6 结论

1）该弯箱梁沿曲线径向向外侧最大偏位14.5 cm，支座最大剪切变形35°，伸缩缝堵死，发现病害前该桥部分时间有超重车辆连续通过。

2）通过计算发现，该桥在原设计状态下符合原设计规范要求。但在边界条件发生改变（伸缩缝堵死）时，梁体在平面内成为“两铰拱”。在温度及车辆荷载作用下，支座处梁体径向力大于摩阻力，梁体发生横向偏位。

3）研究了板式支座更换为盆式支座、独柱墩墩梁固结两种加固方案。前者结构内力及支座反力变化不大，梁体离心力降低了23%～56%。后者5#墩顶裂缝宽度验算及墩柱承载能力验算均不能通过，因此，板式支座更换为盆式支座的方案结构受力更为合理。

[1]宫平,胥金彪.深圳某立交N4匝道桥梁体转动分析和加固介绍[J].特种结构,2001(4).

[2]何柏雷.“太阳把桥晒跑了？”深圳某立交A匝道桥事故分析[J].城市道桥与防洪,2002(2).

[3]丁汉山,刘华,等.淮扬公路高架桥南立交侧向限位设计[J].桥梁建设,2003(12).

[4]刘其伟,茹毅,等.新旧混凝土连续箱梁拼接桥梁端横向位移分析[J]施工技术,2015(16).

[5]张伟.弯梁桥的加固施工[J].桥梁建设,2001(4).