独柱弯梁桥受力特点分析与病害处治

2017-08-07黄启梓

城市道桥与防洪 2017年7期

关键词：梁桥支点桥墩

黄启梓

（深圳市市政设计研究院有限公司,广东深圳 518029）

独柱弯梁桥受力特点分析与病害处治

黄启梓

（深圳市市政设计研究院有限公司,广东深圳 518029）

以预应力混凝土弯梁桥的受力特征作为出发点,通过一个工程实例,探讨了会严重影响桥梁结构安全和正常使用的病害所产生的原因及处治的方法。

独柱墩；弯梁桥；病害；加固

1 概述

混凝土曲线箱梁桥（弯梁桥,下同）是公路、城市立交桥匝道不可或缺的结构形式,其抗扭刚度大,线形美观[1]。弯梁桥与直线梁桥相比,在荷载、预应力、温度、收缩徐变等作用下产生的弯-扭耦合效应十分复杂[2],若设计考虑不周,会有发生支座脱空、向外爬移、向外翻转等病害的风险。

弯梁桥的受力要比直线梁桥复杂得多:主梁具有较大的挠曲变形,弯-扭耦合效应突出和扭矩影响支座反力分布等。若在早期的设计、施工中对弯梁桥受力特征的分析考虑不足,会使弯梁桥在施工、营运过程中出现各种问题或埋下隐患。建成的现存很多弯梁桥存在着曲线内侧支座脱空、腹板开裂、结构沿着曲线外侧径向侧移、梁体翘曲、桥墩产生水平环形裂缝等病害现象。

弯梁桥桥墩设计时,根据桥宽实际情况,多采用独柱、双柱支承或独柱加设帽梁的方式。独柱墩因具有占地少,视野开阔,桥下通透等优点而多被采用。然而对于弯梁桥的设计,特别是小半径弯梁桥,结构验算采用平面杆系程序已经不能满足设计要求,需根据工程实际建立全桥模型,利用空间分析程序对主梁、桥墩、桩基进行整体的分析。

2 弯梁桥受力特征

2.1 弯-扭耦合作用

普通钢筋混凝土弯梁桥的扭矩主要由内外缘腹板自重不同引起；预应力混凝土弯梁桥除了内外缘自重不同外,预应力钢束在空间方向的分布对于扭转中心也会产生很大的扭矩。预应力径向力产生的扭转方向往往是向外翻转,当该扭转效应达到一定程度时,曲线内侧支座就会发生脱空,使桥梁支承体系发生变化。

竖向荷载作用在弯梁桥上时,由于弯桥曲率的影响,结构同时产生弯矩和扭矩,并相互影响,这就是弯梁桥所独有的受力特征:弯-扭耦合作用[3]。在弯-扭耦合作用下,弯梁桥上的应力及挠曲变形为弯矩和扭矩共同作用下的结果,结构内力及变形值要比同等跨径的直线桥大,且外缘弯曲应力大于内缘弯曲应力,外缘挠度大于内缘挠度,曲率半径越小,内外缘的应力及挠度差值越大。在弯-扭耦合作用下,梁端可能发生翘曲,梁体有可能向曲线外侧爬移[4]。

2.2 曲线内、外支座支反力差异大

弯梁桥由于存在较大的扭矩,因而往往会使外侧支反力增大、内侧支反力减小,尤其是在桥梁宽度较大或者曲线半径较小的情况下。若桥梁设计没有采用特殊构造措施,如中支点预偏心、加大内外侧支点间距等,则曲线内外支点反力可能差异很大,使得内侧支点有可能发生“负反力”；若桥梁设计没有采用抗拉支座,主梁和支座就会分离,即“支座脱空”,内侧支座退出工作,全部支反力由外侧支座承担。

2.3 下部桥墩受力复杂

如果设计时未考虑相关措施,则成桥时桥梁在曲线内外侧支反力差异很大,桥墩在恒载作用时即已承受较大的偏心力,若发生支座脱空现象,则偏心力更甚。除恒载偏心产生弯矩外,墩顶还会有水平力的产生,如制动力、温度力等,故弯梁桥的桥墩设计应充分考虑结构的空间受力特征才能确保结构的安全可靠。

3 某小半径曲线箱梁人行桥病害剖析与加固

3.1 工程概况及病害描述

某小半径曲线预应力混凝土箱梁人行桥,全桥主梁合计三联,计8跨,全长175.04 m,第一联（1.65+10.18+19.50）m；第二联（4×25.00）m；第三联（2×21.03+1.65）m；桥宽5.00 m,梁高1.25 m,为预应力钢筋混凝土结构。桥墩为单柱圆墩,柱径1.00 m,中支点单点支承,边支点双点支承。R0#、R8#、R2#、R6#墩为分联墩,R1#、R3#、R4#、R5#、R7#墩为中间墩,均采用圆板式橡胶支座。

检测报告描述:第一、二联的梁体间隙为11.0 cm,第二、三联的梁体间隙为15.5 cm；第二联梁体相对于第一、三联梁体发生向外侧水平位移,位移量分别为1.5 cm和1.0 cm；第二联梁体向外翻转, R2#墩分联处桥面左、右栏杆立柱分别倾斜下沉1.5 cm和上翘4.5 cm,R6#墩分联处桥面左、右栏杆立柱分别倾斜下沉0.5 cm和上翘2.0 cm；R2#墩第3跨侧2#支座（内侧支座）和R6#墩第6跨侧2#支座（内侧支座）顶部均完全脱空,脱空量分别为3.6 cm和2.4 cm。对分联处梁体间隙、水平位移、护栏立柱错位、桥面横坡和支座变位等,分别采用钢直尺、高精度水准仪进行精确测量,发现第二联梁体已经产生了明显向外翻转现象,并有轻微向外的水平位移。

分联处的R2#、R6#墩柱身曲线内侧沿高度方向有大量的水平环向裂缝,间距10～40 cm,长度为50～130 cm。

3.2 结构分析

结构分析采用MIDAS-CIVIL程序建立空间有限元模型,将主梁、墩柱离散为梁单元结构,如图1所示。首先对桥梁现状进行验算分析（结果见表1）,找出发生病害的原因,再根据加固方案（见图2）验算加固后的桥梁受力状况。

图1 全桥离散模型

表1 预应力张拉完成阶段支反力汇总表

图2 桥梁加固设计图(单位:mm)

表1结果表明,第二联主梁在预应力钢束张拉后,边支点R2#、R6#墩曲线内侧支座就已脱空,退出工作；第一、三联主梁在成桥阶段未出现负反力,与现场实际一致,说明第一、三联主梁未发生病害。

3.3 病害原因分析

（1）由于该桥修建于20世纪90年代初期,当时对于弯梁桥的设计经验不足,而电算多为平面杆系程序模型,设计时对预应力张拉产生的扭矩估计不足。根据本次验算结果,主梁在预应力张拉后边支点内侧支座就已脱空。

（2）该桥原设计仅在第二联中墩设置3 cm预偏心,支座预偏心设置过小,不足以改善全梁扭矩分布,对边支点支反力的影响甚微,不足以改善由于主梁结构自身内外腹板的自重差及预应力钢束产生的扭矩,从而引起边支点曲线内侧的支座脱空。

（3）支承体系设计不合理。全桥全部采用板式橡胶支座,中墩全部采用单点支承,无固结墩,致使支承体系在平面外约束较弱,导致平面外的位移。

（4）由于横向约束较弱,弯梁桥在温度、收缩徐变等作用下产生的横向位移不断积累,且无法完全恢复,即出现了“爬移”现象。

（5）管养不到位。现场踏勘发现,主梁伸缩缝被设置一根PVC管,并用水泥砂浆填筑,影响了伸缩缝的正常使用功能,约束了梁体的纵向伸缩变形,加速了梁体向外水平位移。

3.4 病害处治及加固

3.4.1 增设桩基、承台、加固桥墩

R2#、R3#、R5#、R6#墩在曲线外侧增设桩基,新增桩基础与既有桩顶处增设承台,并加固桥墩。采取截面加大和外包钢板的方法进行加固墩柱,外包16 mm厚钢板,墩柱直径由1.0 m加大到1.3 m；柱内浇筑C30无收缩混凝土,钢板内侧设剪力钉以增强混凝土与钢板间的连接,在盖梁底钢板与钢管柱之间焊接钢板靴,形成固结作用。墩柱底用螺栓锚固钢板与承台构成固结。

3.4.2 第二联箱梁采用千斤顶顶升复位

搭设支架(预留盖梁位置),在R3#、R5#墩横梁处主梁中心左右侧1.3 m处各布置2台千斤顶,由曲线外侧千斤顶向上顶升复位主梁,千斤顶初顶力300 kN（单个千斤顶）,顶力与位移双控,当R2#、R6#墩曲线内侧脱空支座恢复作用时,曲线外侧千斤顶继续向上顶250 kN（单个千斤顶）,保持顶力。施工时对主梁位移实时监测,并记录脱空支座恢复作用时的顶力。

3.4.3 中支点桥墩增设钢盖梁，变单点支承为双点支承

盖梁的钢结构部分由工厂制作,现场拼装后盖梁箱内灌注C40无收缩混凝土。R3#、R5#墩主梁左右侧千斤顶依次向上顶升,在梁底与原支座脱空1 cm时保持顶力,取出原墩顶支座后缓慢卸载,完成单支座至双支座的转换。

3.4.4 伸缩缝及桥墩裂缝处治

伸缩缝堵塞将影响梁体的自由伸缩变形,应全面检查全桥伸缩缝,对已经被堵塞的进行清理、更换。伸缩缝清理在主梁顶升前完成,其他缝隙杂物清理工作及伸缩缝恢复应在墩梁加固措施完成后实施。另外,采用环氧树脂胶直接封闭桥墩裂缝。