连续独柱墩弯箱梁桥偏移分析及纠偏措施研究

刘庆良，赵 栋，吕惠明，翟瑞兴

（1.苏州绕城高速公路有限公司，江苏 苏州215006；2.常州华瑞特种加固技术工程有限公司，江苏 常州 213031）

连续独柱墩弯箱梁桥偏移分析及纠偏措施研究

刘庆良1，赵 栋2，吕惠明2，翟瑞兴2

（1.苏州绕城高速公路有限公司，江苏 苏州215006；2.常州华瑞特种加固技术工程有限公司，江苏 常州 213031）

鉴于近年来连续独柱墩弯箱梁发生的横向偏移、扭转、倾覆等安全问题，以某匝道桥为例，通过对设计阶段支座布置形式、施工阶段预应力效应及营运阶段活载离心力、温度、超载效应等进行理论分析，阐明连续独柱墩弯箱梁横向偏移是设计、施工、营运等多个阶段下多个因素综合作用影响的结果；提出偏移问题往往可能与倾覆问题同时存在和相互影响，应同步分析评估；制定弯箱梁偏移问题的分析方法和处置措施，为今后同类工程问题的处置提供参考。

弯箱梁；独柱墩；支座布置；同步顶升；纠偏

弯箱梁桥对地形、地貌的适应性较强，能够灵活地满足立体交通转向以及立交桥特殊、复杂线形变化的需要，而连续独柱墩弯箱梁兼具有减少占用土地、改善下部结构布局、桥下空间可利用和桥型美观等优点，在高等级公路、城市立交的匝道桥上应用广泛，是互通立交桥极其重要的组成部分。然而，由于设计、施工、使用环境等多种因素的影响，近年来，很多连续独柱墩弯箱梁随着时间推移，逐渐发生了横向偏移、扭转等问题，甚至发生倾覆安全事故，造成严重的经济损失和社会影响［1］。因此，对于在役的该类桥梁，应在管养中加强对箱梁偏移、扭转等病害问题的检查和跟踪，对偏移的原因做充分论证分析，及时采取合理有效的措施进行处置，防范安全事故的发生。本文以某匝道桥箱梁横向偏移问题为研究对象，对此类问题的分析方法、处治措施进行探讨。

1 工程概况

某匝道桥全长808.8 m，跨径布置为4×22 m+（13+ 20+13）m+3×20 m+2×（4×20 m）+（16.4+20+16.4）m+3×32 m+3×22 m+4×（3×20）m，平面处于R=190 m的圆曲线上，其中第7联3×32 m预应力混凝土连续箱梁桥上跨高速公路。桥面全宽10.5 m，横向布置为0.5 m（护栏）+9.5 m（行车道）+0.5 m（护栏），超高横坡为6%。设计荷载采用汽—超20、挂—120。

经检查，第7联（处于21#～24#墩）连续弯箱梁存在横向偏移，且24#过渡墩处横向偏移量达到了4.5 cm（朝向外弧侧），伸缩缝橡胶条发生剪切破坏，支承32 m桥跨的2个四氟滑板式橡胶支座分别存在5°（内弧侧支座）和20°（外弧侧支座）的剪切角，其中外弧侧支座的剪切变形达到了4 cm左右，而未发现支座有明显滑动的痕迹，第7联弯箱梁立面图如图1所示。重车经过时桥面振感、晃动明显。经跟踪观测，箱梁仍有继续偏移的趋势，将对桥梁安全造成较大隐患，管养单位及时封闭了桥面交通，并组织特殊检查和维修改造。

图1　 第7联弯箱梁立面图（单位：cm）

2 箱梁偏移与倾覆稳定分析

2.1 偏移原因分析

发生偏移的第7联为连续弯箱梁且中墩为连续两个独柱墩，22#、23#墩分别设置1个固定支座和1个双向活动支座，设10 cm预偏心，21#、24#过渡墩为盖梁双柱式墩身，各设2个四氟板式橡胶支座。支座布置平面图如图2所示。

图2　 第7联弯箱梁支座布置平面图

弯箱梁的横向偏移有一个累积的过程，故应从施工、运营等阶段综合分析其成因，并理论联系实际。考虑桥墩的高度达到15～17 m，为了准确地反映上、下部结构的实际工作状态，在模型计算时应考虑箱梁、支座、桥墩、桩土联合作用影响。建模后，对预应力、活载、温度、超载等可能导致箱梁偏移的效应进行计算，重点分析箱梁横向偏移趋势和过渡墩支反力分布情况，并结合实际情况评估箱梁偏移、转动甚至倾覆的安全性［2-3］。

2.1.1 预应力效应

预应力效应产生在桥梁建设期间的纵向预应力筋张拉阶段，并考虑混凝土长期徐变效应进行计算，结果如表1、表2所示。

表1　 横向位移及支反力表（不计预应力效应）

表2　 横向位移及支反力表（计入预应力效应）

2.1.2 活载离心力效应

当曲线半径小于250 m 时，应考虑离心力效应。因活载离心力的作用方向总是朝向外弧侧，会造成箱梁向外弧侧变形的趋势，结果表明，计入预应力效应，21#墩横向位移+2 mm，24#墩横向位移+9 mm。

2.1.3 温度效应

结合桥梁所处地域的温差情况，选取偏不利的情况，假设体系温差35 ℃（升温）进行理论分析，结果表明，计入温度效应，21#墩横向位移-1 mm，24#墩横向位移+4 mm。

2.1.4 综合分析

通过以上对荷载、温度效应的分析，理论上箱梁会发生横向偏移，且在支座摩阻力的影响之下，该偏移量无法完全恢复，在多年积累之后，会达到一定的量值（上述分析的综合影响已达18 mm）。但是，该桥仅在1个桥墩上设固定支座，而挡块与箱梁之间也未抵紧，故缺乏有效的横向限位措施。

2.2 超载影响分析

经理论分析，设计荷载作用下21#、24#过渡墩处支座不会出现脱空现象，箱梁的倾覆稳定性可以满足设计规范要求。但是，根据管养单位对经过该桥超限车辆的调查，实际出现3辆超限车（100 t/车）同时上桥、同时偏向外弧侧车道行驶的可能性很大，而原设计单个车道偏载总重仅160 t，远低于实际情况，存在严重超载的情况。

理论分析时选取3辆100 t左右重车同时过桥且偏向外弧（贴近护栏内边缘）行驶，对过渡墩处箱梁的支反力进行计算。原则上，以21#或24#墩处内弧侧支座脱空为判断箱梁出现倾覆趋势的临界工况。如表3、表4所示。

当3辆重车总重超过330 t后，箱梁将可能发生整体转动，如果该现象出现在实际通行过程中，箱梁将很可能倾覆。因此，上部结构在超载车作用下存在倾覆安全隐患。

2.3 桥墩变形分析

因21#、24#墩基础原设计采用了一柱一桩的单排桩形式，且该墩两侧桥跨的跨径相差较大、墩身又较高，可能影响桥面的晃动、振感，故对下部进行分析。使得恒、活载竖向偏心作用引起的桥墩水平变形较为明显。经计算，考虑桩土共同作用下，21#、24#墩恒载作用产生的水平挠度为9 mm（偏向32 m桥跨方向）；设计活载作用产生的水平挠度为-3～+6 mm（正号代表偏向32 m桥跨方向），即挠度幅度达到9 mm。此外，制动力也会产生一定的影响。在进一步分析桩基承载力过程中，发现原设计桩基竖向承载力富余很小。

表3　 3辆车总重300 t作用下过渡墩支反力 kN

表4　 3辆车总重330 t作用下过渡墩支反力 kN

因此，在设计荷载作用下，21#、24#墩将产生9～15 mm的水平挠度，如果发生超载，过渡墩的挠度会更大，且会对桩基的受力造成不利影响。对于原四氟板式橡胶支座，因墩柱反复发生挠曲变形，其四氟滑板的使用寿命也会大大缩短。故有必要加强两个过渡墩的整体刚度和桩基承载力。

3 维修改造措施

3.1 改变支座布置形式

箱梁倾覆稳定性不好的内在原因是其支座的布置形式不利于约束箱梁扭转，容易造成内弧侧支座脱空。对此，经过多次试算，如果仅通过调整21#、24#过渡墩处的支座位置（拉大支座中心距），其改善作用有限。经深入分析，将23#墩处的单支座支承改为双支座支承，将原“双-单-单-双”的支座布置形式改造为“双-单-双-双”，以确保箱梁在当前实际运行条件下的抗扭及抗倾覆安全。改造后支座布置平面图如图3所示。

图3　 改造后支座布置平面图（单位：cm）

3.2 提高墩身、桩基整体刚度

对21#、24#过渡墩采取扩大墩柱截面、增设桩基等方式，变单排桩为双排桩，提高桥墩与基础的整体抗推刚度，减小荷载作用下的挠曲变形，提高基础承载力。

对23#墩增设盖梁（设双支座），并采取增大截面方式，将圆形截面墩柱改造为多边形截面墩柱，提高23#墩的墩身刚度和抵抗不平衡弯矩的能力。

3.3 加强箱梁横向限位

取消21#、24#过渡墩处的原四氟滑板支座，更换为单向活动盆式橡胶支座和双向活动盆式橡胶支座；将23#墩处原双向活动盆式橡胶支座改为1个单向活动盆式橡胶支座和1个双向活动盆式橡胶支座，在提高抗扭能力的同时起到横向限位作用；增加过渡墩挡块刚度，加强对箱梁的横向限位能力，同时提高桥梁的抗震性能。

4 竖向同步顶升与横向顶推纠偏控制措施

对3跨连续箱梁进行整体竖向顶升，将箱梁自重完全转换到千斤顶上，此时梁体仅在22#墩处有固定支座进行纵、横向约束。通过在24#墩处安装一台水平千斤顶装置，横桥向施加水平顶推力，使箱梁绕22#墩固定支座转动，恢复到原来的平面位置。具体措施如下：

（1）在各墩处布置千斤顶和临时支撑，对箱梁进行竖向整体同步顶升，应避免22#墩固定支座上、下钢盆脱离；

（2） 在21#、24#墩处，解除箱梁横向纠偏的位移约束条件，采取千斤顶与梁底之间布设四氟滑板（涂硅脂油）的方式减小摩阻力；

（3）在24#墩外弧侧的盖梁侧面及箱梁底面，通过植筋方式，增设顶推反力牛腿（钢结构）；

（4）以增设牛腿作为反力装置，利用千斤顶横向顶推，促使箱梁复位。

同步顶升与横向顶推纠偏由多个复杂的阶段组成，尤其因23#墩顶升吨位大且构造形式、支座布置有较大改变，该墩上就涉及到两次支承体系转换。施工过程中梁体的平面和竖向位移控制都非常关键，该项目实施期间的主要安全控制原则如下［4-5］：

（1）竖向同步顶升期间，顶升力和顶升位移双控，以顶升点处的箱梁位移为主要控制指标，同时做好改造桥墩沉降的监测工作，确保箱梁不发生强迫位移；

（2） 箱梁最大竖向顶升高度不超过5 mm；

（3）横向顶推纠偏期间，以顶推点处箱梁的平面位移为主要控制指标，顶推位移与设计值应尽量一致，误差不应超过5 mm；

（4）以理论顶推力作为箱梁实际顶推力的初始控制参考，在接近理论顶推力时，缓慢调整顶推力直至梁体开始滑动，实际测量得到顶推启动力。梁体开始转动后，调整顶推力使梁体缓慢、匀速地转动；

（5）分级顶推，每级顶推量为1 cm。

5 结论

弯箱梁发生偏移后，对偏移原因应从设计、施工、营运等角度进行全面分析，并采取合理有效的措施进行处置。

（1）应加强对连续独柱弯箱梁的检查，一旦发现箱梁偏移现象和量值积累增加的趋势，应立即采取跟踪观测措施，并尽快组织特殊检查且采取必要的交通安全保障措施；

（2）对偏移原因从设计阶段的预应力、温度、活载以及运营阶段的超载、超重等因素进行多方面综合分析，不仅要关注静力安全，还需要考虑规律性荷载作用下的爬移及抗倾覆富余度不足的情况；

（3） 连续独柱弯箱梁偏移问题往往可能与箱梁倾覆稳定问题同时存在甚至相互影响，应同步分析。倾覆稳定性应考虑实际车辆荷载作用进行验算（尤其是超载），改造设计中稳定系数可以考虑一定的富余；

（4） 改变箱梁支座布置形式（如单支座变双支座）这一措施对于加强箱梁扭转约束、提高稳定性较为有效，同时应采取恰当的横向限位措施；

（5）箱梁的纠偏改造涉及竖向顶升技术和横向顶推技术应用，设计应明确顶升（推）的安全控制指标和详细实施方案；同时，应由专业的监控单位对结构安全和施工流程等进行过程管控。

通过采取以上多项措施，该连续箱梁的纠偏改造顺利完成，在实现复位的同时，箱梁各支座处的支反力分布也趋于合理，整体稳定性得到提高并留有一定的余地。但是，在桥梁营运管理中，仍要加强对超限、超载车辆的治理，严禁多辆超限、超载车辆同时上桥的情况发生，主动防范安全事故。

［1］邵荣光，夏淦.混凝土弯梁桥［M］.北京：人民交通出版社，1994.

［2］赵景周.独柱支撑曲线混凝土连续箱梁桥侧向位移及其加固和限位措施研究［D］.西安：长安大学，2011.

［3］刘华.预应力混凝土连续弯箱梁的侧向位移研究［D］.南京：东南大学，2004.

［4］ 刘鹏.弯梁桥的评价与加固方法研究［D］.西安：长安大学，2007.

［5］何海.某连续梁桥的偏位成因及处理［J］.城市道路与防洪，2008，9（9）：68-70．

Study on Deviation and Correction Method of Continuous Curved Box Girder with Single Column Pier

Liu Qinliang1, Zhao Dong2, Lv Huiming2, Zhai Ruixing2
（1. Suzhou Surrounding City Expressway Co., Ltd, Suzhou 215006, China; 2. Changzhou Huarui Special Reinforcement Engineering Co., Ltd., Suzhou 213031, China）

In view of lateral shift, twist, overturning and other security issues in recent years, theoretical analysis was taken to discuss the effects of supports arrangement, prestress in construction stage, temperature and overload by taking a ramp bridge for example. It was clarified that, the lateral shift of continuous curved box girder with single column pier was the result of multiple factors working together at the stages of design, construction and operation. The lateral shift and overturning issues often coexisted and influenced each other, which should be synchronously analyzed and evaluated. The analytical methods and measures to deal with the deviation of curved box girder were drafted, which could provide a reference for similar projects.

curved box girder; single column pier; supports arrangement; synchronous jacking up; rectification

U448.21+3

A

1672-9889（2016）04-0043-04

刘庆良（1976-），男，广东揭西人，高级工程师，主要从事高速公路养护管理工作。

2016-06-13）