瓶窑互通七号桥梁体滑移原因分析与复位技术研究

蔡坤华，胡 锋，叶 剑，张 琦

(1.浙江杭长高速公路有限公司 湖州市 313300； 2.湖州市公路水运工程监理咨询股份有限公司 湖州市 313000)

0 引言

随着我国经济的增长，越来越多的桥梁相继建成通车。一些纵坡大、展线复杂的桥梁往往会出现梁体纵向滑移，导致伸缩缝挤死，严重影响行车安全。导致梁体发生滑移病害的因素很多，包括汽车荷载作用，温度及混凝土收缩变形，特定纵坡下自重水平分力，设计和施工不合理以及曲率半径过大等等[1-2]。温度变化和收缩在各种活动支座处将引起纵桥向与横桥向的变形,梁缝填塞严重，梁体不能正常伸缩会直接导致匝道桥与主线桥、主线桥各联间上部结构存在相互推挤从而发生偏位病害[3]。此外，桥梁在长期超负荷工作和偏载以及特定纵坡下自重水平分力作用下，梁体也会逐渐发生偏移[4-5]。

使用Midas Civil软件对依托工程进行有限元建模分析，将数值模拟结果和实测数据比对，验证模型正确性，并进行参数分析，研究各类参数对梁体偏位的影响。此外，还提出了一套梁体纠偏复位方案。

1 工程背景

1.1 工程概况

瓶窑互通七号桥位于杭长高速公路瓶窑互通F匝道上，上跨瓶仓线，中心桩号为PK0+454.05。左半幅孔跨布置为：(5×25)m+(21+25+23)m+(4×17)m+(3×16)m；右半幅孔跨布置为：(5×25)m+(23+25+21)m+(4×17)m+(3×16)m，桥梁全长315.7m。第2联采用等截面预应力混凝土连续箱梁，下部结构采用柱式墩、肋板台、柱式台，钻孔灌注桩基础，采用盆式支座。

1.2 支座偏位情况

瓶窑互通七号桥第2联连续箱梁桥共三跨，支座的约束形式见图1。5#墩和8#墩最外侧支座都是双向可动，内侧支座为纵向可动。6#墩支座都是纵向可动，7#墩左幅支座为固定支座，右幅为横向可动支座。

图1 瓶窑互通七号桥第2联连续箱梁桥支座约束形式

经过现场检测，瓶窑七号桥第二联梁体在纵向整体呈现向大桩号侧滑移的趋势，多数支座上下部连接钢条已经拉坏，8#墩顶部伸缩缝严重顶死，5#墩顶部伸缩缝严重拉开。此外，梁体在横桥向又呈现一种围绕固定支座逆时针旋转的趋势。若不及时处理，有可能对行车安全产生影响，甚至直接导致落梁事故发生。表1、表2分别为各支座纵桥向和横桥向上下部中心线间距。

表1 支座纵桥向偏移情况 mm

表2 支座南北偏移量 mm

1.3 桥墩偏位情况

用铅锤钢卷尺以及激光测距仪对7#墩左幅进行垂度的测量，测量得到墩高6m，测量段高度3.65m，绳子固定端距离墩表面5.5cm，底部铅锤中心线距离墩表面距离3.4cm，因此墩向大桩号方向偏移2.1cm，根据比例换算，得到墩往大桩号方向偏移3.45cm，垂直度偏差为5.7‰H。

2 机理研究

2.1 有限元建模

瓶窑七号桥第二联地下土层依次为淤泥质粉质黏土、粉土、砾砂和中风化凝灰岩，利用土弹簧来模拟桩土相互作用。按照《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 3363—2019)，采用m法，按Winkler假定(梁身任一点的土抗力和该点的水平位移成正比)的解法，将桩侧土体离散成Winkler线性弹簧。得到的公式如下：

Cz=mz

(1)

式中：Cz为地基水平抗力系数，m为地基水平抗力系数的比例系数，z为地基土深度。因为本桥变形较小，仍在弹性范围内。所以，用m法，其中m的值根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 3363—2019)中附录表格P.0.2-1中的数值取值。

各墩采用的支座型号及个数见表3。Midas Civil中模拟盆式支座时，约束方向支座刚度设为1.0E+07，自由方向刚度设为0。

综上所述，支座采用弹性连接模拟，支座顶与梁体采用刚性连接模拟，墩和桩固结，桩底固结。整个模型共564个单元，517个节点，模型见图2。

表3 各墩采用的支座型号及个数

图2 瓶窑七号桥第二联有限元模型

2.2 荷载及工况设置

合龙温度按20℃算，整体升降温按照+20℃与-30℃来考虑，参考《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)4.3.12规定混凝土线膨胀系数为0.00001/℃。

试验桥设计标准为公路I级，《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)4.3规定公路I级车道荷载均布荷载标准为10.5kN/m；Pk集中荷载标准值根据表4取360kN。汽车制动力根据车道荷载标准值在全桥长度计算的总重力的10%以及公路I级汽车荷载制动力不小于165kN两项前提下取值为165kN。

表4 集中荷载Pk取值

汽车制动力分项系数取1.4，温度取1.05，恒荷载分项系数1.2。工况及荷载组合情况见表5。

表5 工况及荷载组合

2.3 结果分析

从图3和图4可以看出，梁体在升温时会向小桩号侧偏移；5#侧梁体向右偏移，8#侧梁体向左偏移，梁体有个绕固定支座逆时针旋转的趋势。

图3 主梁升温时纵向位移

图4 主梁升温时横向位移

从图5和图6可以看出，主梁在温度下降的时候 ，纵向收缩变形，5#墩支座向大桩号方向变形，7#、8#支座向小桩号方向变形；此外，梁体还有逆时针方向转动的趋势。

图5 主梁降温时纵向位移

图6 主梁降温时横向位移

图7～图9分别是工况四到工况六的纵横向位移变形图。可以看出，在右幅车道上，车辆制动产生的刹车力，会使梁体产生向大桩号方向的纵向位移，小桩号侧的位移相对来说比较大；同时，由于偏心荷载的左右，使得梁体产生逆时针方向的旋转。汽车制动力产生的总体影响比温度要小。

图7 工况四位移图

图8 工况五位移图

图9 工况六位移图

图8显示，温度升高和汽车制动力同时作用时，5#、6#、7#墩梁体往小桩号方向偏移，8#往大桩号方向偏移；5#、6#墩上梁体往右偏，7#、8#墩上梁体往左偏，呈现逆时针旋转的趋势。在温降和制动力作用下，小桩号侧梁体往大桩号方向偏移，偏移程度较高，靠近8#侧梁体往小桩号侧略微偏移；5#、6#墩上梁体往右偏，7#、8#墩上梁体往左偏，呈现逆时针旋转的趋势。

汽车制动力作用下，梁体有向大桩号侧偏移的趋势，此外，温度升高时大桩号侧梁体往大桩号侧变形，小桩号侧梁体往小桩号侧变形，温度降低时，变形趋势相反。由于梁体存在一定坡度，当其遭受反复的温升温降作用和汽车制动力作用时，支座产生了不可恢复的变形，久而久之，梁体下移，致使伸缩缝破坏。

3 梁体纠偏复位

3.1 承台施工

基础承台按照设计图纸采用圆形截面，直径2.7m，高度1.5m，采用C40混凝土，对桩、柱混凝土表面局部开槽并凿毛后，将基础承台主筋与原墩柱主筋进行焊接连接，然后浇筑承台。开挖全部采用人工开挖，开挖过程中注意避开地面预埋管线。基础承台与桩柱连接大样见图10。

图10 基础承台与桩柱连接大样图

3.2 钢抱箍安装

抱箍到达现场切割限位钢板打磨焊点，抱箍上端有焊点需要全部打磨平，检查抱箍与桥墩接触面是否有焊渣，有焊渣清理干净，吊坠孔开3个点留上端20mm孔径50～60mm为宜。钢抱箍加工见图11。

图11 钢抱箍加工

钢抱箍安装时事先在墩顶用工字钢制作吊架，然后在地面上将抱箍拼装好将紧固件螺栓略松，采用手拉葫芦将抱箍提拉至安装位置。

3.3 钢管支撑安装

每片钢抱箍设置一根支撑钢管，截面尺寸为350mm×20mm圆管，一个桥墩3根，均匀布置在对应的抱箍底部。基础承台混凝土浇注前先对钢管支撑底部连接处预埋钢板进行固定安装，安装完成用水平尺检查预埋钢板的水平度，对不平整处进行调平，保证预埋钢板水平。

3.4 纠偏装置安装

按照设计图纸在箱梁底部对纠偏反力架锚栓孔位置放线，开孔前使用钢筋探测仪对梁板钢筋进行探测，并在混凝土表面标记清楚，钻孔时对于原桥预应力钢绞线及纵向主筋必须全部避让；横向钢筋及箍筋在无法避免的情况下可部分截断。钻孔完成后利用高压吹风机清理孔内灰尘，然后用工业酒精将孔内清洗干净，待孔内酒精完全风干后种植锚栓。限位装置如图12所示。按照设计图纸安装事先加工好的反力架，反力架安装见图13。

图12 限位装置

图13 反力架安装

3.5 箱梁竖向整体顶升、纠偏

3.5.1竖向顶升

箱梁整体顶升和纠偏采用同步顶升系统，千斤顶采用液压扁形千斤顶连动整体顶升，千斤顶放置钢抱箍上，通过高压电动油泵向千斤顶供油，采用平衡分流阀、自动监测系统和百分表来控制梁体的起顶高度。

3.5.2水平纠偏

水平向顶升采用液压扁形千斤顶，通过高压电动油泵向千斤顶供油，采用平衡分流阀和自动监测系统来控制梁体的纠偏量，当梁体达到原设计位置后，在伸缩缝处打入楔形块设置临时支撑，保证梁体位置。纠偏时，应进行分级纠偏，每分级顶升量为2mm。

4 总结

汽车制动力作用下，梁体有向大桩号侧偏移的趋势，此外，温度升高时大桩号侧梁体往大桩号侧变形，小桩号侧梁体往小桩号侧变形，温度降低时，变形趋势相反。三者都会使梁体产生逆时针转动的趋势。

在长期的制动力荷载和循环的温升温降作用下，以及梁体往大桩号方向的倾斜，瓶窑七号桥第二联梁体产生纵向的偏移，方向为大桩号一侧，8#墩一侧靠近固定支座和纵向固定支座，温度变形相对5#墩要小很多，并且制动力荷载对纵向位移的影响比温度变形的影响小很多，因此8#墩处支座上下中心线间距比5#墩处小很多，符合实测值规律。

汽车制动力，温升温降都会使梁体产生逆时针的旋转，即8#墩侧梁体往左偏移，5#墩侧梁体往右偏移。但是汽车制动力，即偏心水平力作用对梁体逆时针旋转趋势的贡献更大，温度影响相对较小，在长期的制动力荷载和循环的温升温降作用下，使得梁体总体产生逆时针旋转的趋势。