某高速公路连续弯梁桥侧向滑移病害成因分析与处治

■陈旭栋

(福建省高速公路集团有限公司福州管理分公司，福州 350001)

0 引言

由于路线线形方面的要求，在高速公路匝道桥梁的设计中，混凝土连续弯梁桥是十分常用的结构形式。但是，连续弯梁桥在运营通车过程中，由于弯梁桥自身结构特点和外部因素的影响，会产生侧向滑移，并且随着各种因素的不断反复作用，连续弯梁桥发生的侧向滑移不能够完全恢复，存在不可恢复的残余滑移并不断扩大。此类病害严重地影响了弯梁桥的安全性能。某高速公路匝道桥在定期检测时发现了较为严重的侧向位移病害，存在安全隐患，需进行加固处理。

1 桥梁病害情况

图1 桥型布置图

某高速公路匝道桥为预应力混凝土连续梁桥，全长119.0m，桥跨结构：18.0+4X20.0+18.0m，中心线曲率半径R=55m，坡度+3.281%。上部结构为现浇预应力混凝土连续梁，下部结构为钢筋砼单柱式和双柱式墩，钢筋混凝土钻孔灌注桩。标准断面为桥面宽度8.0m+2×0.5m防撞护栏，全宽9.0m。现浇空心板直腹板截面，空心板高1.2m，空心板底宽4.5m，两侧翼缘板宽各为2.25m。支座为球形支座，其中3#为固定支座，其余均为双向活动支座。

在桥梁定期检查时发现整座桥梁除3#墩的固定支座外的其余支座、梁体都产生了不同程度的径向及切向滑移现象，滑移量最大的为6#墩的内侧支座处，梁体径向滑移量达7cm，而切向滑移量也达到了5cm。经过2年监测后发现，该桥的滑移现象呈持续发展的状态，6#墩处径向最大滑移量达到9.5cm，切向最大6.0cm，同时发现0#台和6#台的内侧支座都出现了脱空现象。统计数据如表1、表2：

表1 背景桥径向滑移情况统计表

表2 背景桥切向滑移情况统计表

图2 背景桥支座滑移示意图

桥梁定检时同时发现梁体的裂缝有纵向裂缝30条，总长86m，主要分布在第2～6跨梁梁底；斜向裂缝26条，总长18m，主要分布在第1跨梁底。竖向裂缝1条，总长1m，在第3跨梁左侧腹板。第6跨腹板发现1条斜向裂缝，缝长0.5m。已采用裂缝灌胶和裂缝封闭等方法对裂缝进行修补，实测混凝土强度满足设计要求。监测后发现并无修补后开裂延伸现象。

墩身总体情况较好，并未发现裂缝。且墩身周围并无外界荷载的影响。墩身竖直度顺桥向偏移量最大的是6-1号墩身，竖直度为0.22%。墩身横桥向偏移量最大的是4号墩，竖直度为0.27%。本桥墩身横桥向和顺桥向竖直度均满足规范值0.3%。

2 弯梁桥侧向滑移的成因分析

2.1 曲率半径

曲率半径是造成弯梁桥侧向滑移的主要因素之一。对钢筋混凝土和预应力混凝土弯梁桥，曲率半径会显著影响同一排墩(尤其是交接墩台)处内、外支座竖向支反力分布，曲率半径越小，内、外支座竖向支反力的不均匀程度越大，梁端的径向位移就越大，且其影响程度随跨径增大而增大。本桥的曲率半径仅为55m，极易产生侧向滑移。

2.2 支座的布置形式

支座的布置形式是影响弯梁桥侧向滑移的内在因素，支座的布置形式直接影响全桥的内力分布，合理的支座布置形式可以承受桥梁自重和车辆活载、温度等因素所形成的“弯扭耦合”作用，限制结构的侧向滑移。通过调研，我省高速公路常用的弯梁桥支座布置方式包括以下6种，如图3所示。现有滑移的弯梁桥普遍存在未设置预偏心、预偏心值过小或因支座反力过大导致防震挡块损坏失效等问题。

图3 弯梁桥6种常见的支座布置方式

2.3 自身重力作用

从本桥的平面图形上分析，连续曲线梁的外弧长度大于内弧长度，重心必然偏离桥轴线并偏向外侧。同时，弯桥梁均会设置横坡(本桥为8%)，使外侧梁自重大于内侧梁，加大重心偏离的趋势。本桥为矩形截面、厚度均匀的空心板梁桥，如图4所示。它的截面形心就是它的桥梁中心线和剪力中心线。设剪力中心半径为R0，桥宽为B，截取一片微小梁段，如图5所示，其平面形状基本等同于等腰梯形，为便于分析，将此平面形状视为等腰梯形。由图5可知桥梁自重的恒载重心相对于弯梁的剪力中心有一个偏心距离。因此，在桥梁自重作用下，弯梁桥桥会有侧向滑移的趋势。

图4 弯梁桥示意图

图5 截取梁段示意图

2.4 车辆荷载作用

车辆行驶在弯梁桥上，车辆荷载对弯梁桥会产生竖向力(车辆自重)，径向力(离心力)和切向力(制动力)。对于竖向力而言，按车道行驶的车辆轨迹均为偏心行驶，会使梁体产生扭转；而车辆行驶的离心力则会造成弯梁桥的径向滑移。连续弯梁桥的伸缩缝和端部支座极易因车辆行驶的离心力产生剪切变形甚至破坏。当相邻两联桥跨(或桥跨与端部路基)之中只有一联有车辆行驶通过，且本桥梁体端部采用的是双向活动支座，这种情况下，梁体的平面内变形不受下部结构形式及支座的约束，此两联桥跨的端部就会产生侧向位移，该位移会缩短伸缩缝和支座的寿命，甚至产生剪切破坏。并且梁体发生侧向滑移后，由于支座的摩擦力和刚度等因素的影响，在外部荷载消失后，侧向滑移并不能全部恢复。在高速公路上，车流量大且车辆行驶速度极快，梁端所受的径向力可以视为是在不断施加的，随着荷载长期反复作用，弯梁桥会产生径向残余位移的积累，即产生弯梁桥的滑移现象。

2.5 温度作用

对于小半径的弯梁桥来说，温度变化是影响梁体侧向滑移的一个比较大的因素。当温度变化较大时，梁体会发生全弧段的热胀冷缩，此时，内外弧段的半径改变而圆心角不变，这种情况下会引起切向位移，同时产生径向滑移。当弯梁桥在夏季完成施工时，随着温度的降低，弯梁桥有向内侧滑移的趋势，这在一定程度上是有利于弯梁桥受力的；当弯梁桥在冬季完成施工时，随着温度的升高，弯梁桥有向外侧滑移的趋势，这种情况会加剧梁体的重心向外侧偏移，导致弯梁桥处于不安全状态。

2.6 混凝土的收缩徐变

混凝土的收缩和徐变是同时发生的，收缩徐变主要在结构加载后3年内完成，随后趋于平缓，发展速率非常缓慢，但会伴随结构的整个寿命周期。一般来说，混凝土的收缩徐变会影响结构的内力和边缘线，从而导致结构内力的重新分布和预应力的损失等。由于结构收缩徐变的影响，梁体的内外弧的变形量是不同的，梁体外弧的变形量较之梁体内弧的大，因此弯梁桥的侧向滑移将会随着时间的推移而逐渐增大。

3 加固处治方案

针对本桥的联端外侧支座向外滑移问题及联端内侧支座脱空现象，结合上文的滑移成因分析，提出如下加固处治方案：

3.1 优化支座类型及布置形式，调整预偏心值

针对本桥的联端外侧支座向外滑移问题和联端内侧支座脱空现象，拟采用将脱空支座更换为抗震球型支座，将联端外侧的支座外移，增大支座间距，调整各桥墩支座的预偏心值的修复方法。增大支座间距能增大弯桥的抗扭性能，防止内侧支座脱空，具体的调整情况如下：

(1)将 1#、2#、4#、5# 独柱墩支座向曲线外侧横向位移20cm。

(2)将6#墩外侧支座外移32.5cm，同时在连接墩上增设小帽梁，加长端横梁外侧长度；内侧支座不调整；0#台支座不调整。

经过以上支座调整后，应用桥梁计算程序MIDAS/civil计算出各支座支反力如图6和图7所示：

图6 调整后各支座最小支反力(单位：kN)

图7 调整后各支座最大支反力(单位：kN)

由图6和图7可知，调整后各支座支反力均为正值，0#台内外支座最小支反力分别为218.3kN和266.9kN，比值为 0.82，6#墩内外支座支反力分别为149.9kN和241.9kN，比值为0.62，内外支座支反力比较均衡，能较好地避免支座出现脱空现象。

(3)扩大独柱墩直径，对 1#、2#、4#、5# 独柱墩进行外包20cm后C30混凝土，防止支座滑移后悬空甚至掉落。

3.2 设置侧向限位装置

本桥支座的滑移量处在逐年发展的趋势中，必须进行限制。根据病害情况，采用设置侧向限位装置的修复方法进行约束，具体如下：

(1)0#台在梁体与挡块之间设置弹性侧向支承。这种类型是在梁端的主梁与防震挡块之间安装柔性材料，设置弹性侧向支承，它的工作机理是通过设置弹性侧向支承来达到减小墩台刚度的目的，这样，不仅可以减小梁端的支承反作用力，而且可以协调桥墩和桥台的刚度，减少曲梁桥的横向滑移。如图8所示。

图8 桥台(盖梁)处设置弹性侧向支承示意图

(2)6#墩在主梁和盖梁间设置钢结构限位装置。这种构造是在主梁底和盖梁之间设置钢结构限位装置，使得梁体的平面内变形受到支座及其桥墩的约束，利用下部结构的平面抗推刚度来降低梁体的侧向滑移，也利用下部结构的柔度来适应梁体的侧向滑移，达到梁体和桥墩的共同变形。如图9所示。

图9 主梁底与盖梁间设置钢结构限位装置示意图

3.3 监测措施

由于本桥结构为连续梁结构，梁体顶升时会引起桥梁内部应力的变化，因此在顶升时必须要有相应的监测措施，分为应力监测和位移监测两大指标：

应力监测在在梁体受力截面安装混凝土电阻应变计，并在裂缝处贴上电阻裂缝计，观测裂缝的发展情况。监测范围为各个顶升阶段的桥跨及其受本阶段影响的两边跨。位移监测是在每一个顶升处监测梁的顶升高度。在顶升处的盖梁上用油漆标记，在横梁上垂直安装高精度的钢卷尺，以便控制梁体顶升的速度和高度。

3.4 裂缝及伸缩缝修复

梁体裂缝宽度小于0.15mm的裂缝直接采用表面封闭处理，裂缝宽度大于0.15mm的裂缝采用压力灌浆法加固处理。由于梁体滑移造成两条伸缩缝型钢断裂，已全部更换。

经加固处治后，本桥至今未再发现横向位移，证明本加固方案有效地遏制了主梁横向滑移的发生，成效较好。

4 结语

曲梁桥的曲率半径、支座布置、静载、车辆荷载、温度变化和混凝土收缩徐变等都会引起曲梁桥的滑移现象。其中离心力是曲线梁桥滑移的主要原因。所以，在曲线梁桥的设计过程中，应尽可能采用较大的曲率半径曲线。其支座类型和布置形式应综合考虑桥梁自重、车辆荷载及温度等各因素产生的弯扭耦合作用，并结合曲率半径，上、下部结构的总体布置形式来确定支座布置形式。还可以采用适当的方法设置合理的支座预偏心值。同时尽可能的选择收缩和徐变较小的原材料及合理的配合比，也是减少弯梁桥侧向滑移的有效手段。并应计算不同季节施工的温度变化对弯梁桥爬移的影响程度，以有效预防弯梁桥滑移现象的发生。