某斜交T 梁桥偏位成因分析及纠偏技术探析

林广宇

（甘肃省兰州公路事业发展中心高速公路养护所，甘肃兰州 730030）

引言

我国建于21 世纪初的高速公路中、大梁桥中，上部结构采用预应力混凝土T 梁，下部结构采用桩柱式墩、肋板式桥台的梁桥占一定比例，此桥梁结构形式应用于大角度斜交梁桥设计中，若刚度储备不足，易发生梁体偏位，影响桥梁运营安全。随着高速公路交通量剧增、重载交通发展，大角度斜交桥梁体横向爬移偏位病害进一步加剧，如不干预极易发生落梁事故，国内关于此类事故的报道屡见不鲜，因此，对于大角度斜交梁桥偏位纠偏加固迫在眉睫。结合某高速公路斜交T 梁桥-王家湾大桥纠偏加固工程，探讨大角度斜交T 梁桥偏位病害成因及纠偏加固方法，为同类工程提供参考。

1 工程概况

王家湾大桥位于某高速公路缓和曲线和直线上，桥面纵坡-1.651%，斜交角50°，桥梁全长181.0 m，全宽24.5 m，共2 联，跨径组合3×25 m+4×25 m，分左右两幅，单幅横向设6 片梁，单幅桥面横向布置为：0.5 m(护栏）+11 m(行车道）+0.5 m(护栏）。上部结构采用装配式预应力混凝土T 梁，梁高1.5 m，跨中T 梁肋板厚0.15 m，支座处T 梁肋板厚0.4 m，预制吊装，先简支后连续；下部结构采用双柱式墩(柱径1.2 m，柱高16～17 m），墩盖梁高1.2 m，肋板式桥台，钻孔灌注桩基础(桩径1.5 m，桩长15～22 m）；桥面铺装为8 cm 沥青混凝土+防水层+16 cm 钢筋混凝土，桥台及过渡墩处设FD-80 型模数式伸缩缝。

2 桥梁偏位及主要病害概况

2.1 主梁病害

图1 上部结构总体变位示意图

2.2 横隔板病害

本桥T 梁仅设与T 梁一起预制的端横隔板。上部结构拼装时，相邻两片横隔板采用焊接钢板连接，钢板锈蚀、勾缝砂浆局部脱落普遍，相邻跨横隔板间无墩顶现浇段。横隔板竖向裂缝40.4 m/46 条，最大缝宽0.5 mm。

2.3 支座病害

全桥支座多数存在顺、横桥向剪切变形，部分支座剪切变形呈“整体扭转”趋势，多数支座剪切变形方向与“梁体逆时针旋转”趋势一致，越靠近桥台，支座剪切变形方向越明显向T 梁联端锐角方向；全桥支座垫石上表面平整度差，部分呈“中间高、四角低”状，导致部分支座尤其桥台处主梁支座滑动明显，个别支座有滑出垫石趋势。见图2、图3。

图2 左幅0 号台3 号支座滑动

图3 左幅3 号墩3 号支座剪切变形

2.4 盖梁病害

盖梁正弯矩区底部存在较多横向裂缝共121.2 m/183 条，间距20～50 cm，最大缝宽0.15 mm，部分裂缝延伸至盖梁侧面，呈“L”型，部分盖梁顶部有垃圾堆积。

2.5 挡块病害

桥台锐角处挡块部分完全损毁，部分开裂倾斜。T 梁相对支座垫石有明显向锐角滑动痕迹；挡块与梁体抵死30 处、破损10 处。

2.6 桥墩病害

左、右幅桥墩均存在不同程度的倾斜，倾斜度绝大多数不满足规范要求，柱顶最大倾斜值12.9 cm，最大倾斜度1.1%；以路线前进方向为正方向，绝大多数墩柱均有向左偏后方倾斜趋势；第二联桥墩倾斜度较第一联大，见图4。左幅桥台侧墩背均有环向裂缝35.6 m/48 条，最大缝宽0.24 mm。右幅地面线以上桥台侧全部墩背有环向裂缝55.2 m/48 条，最大缝宽1 mm。桥梁右侧因工业园区建设，有大量土方堆积，高度10～16 m，堆载底面紧靠右幅第二联桥墩。

图4 桥墩倾斜度测量结果示意图

2.7 系梁病害

左幅4-1#墩系梁前侧面、顶面、后侧面有环向裂缝5.5 m/3 条，最大缝宽0.4 mm。右幅4-2#、5-2#、6-2#墩系梁前侧面、顶面、后侧面有环向裂缝16.1 m/7 条，最大宽0.4 mm。

2.8 桥台病害

左右幅7#台帽相对移动，右幅较左幅台帽向小桩号方向水平位移5～6 cm。右幅0 号台背墙破损露筋2m2。0#、7#台前护坡坡比不足1:1.5，坡面浆砌片石防护多处沉陷、鼓包。

3 有限元模拟与病害成因分析

3.1 桥梁整体有限元数值模拟

通过MidasCivil 桥梁有限元模型验算原桥承载力及刚度结果表明：王家湾大桥原设计上部结构承载力极限状态及正常使用极限状态满足要求；桥台肋板承载力和抗裂满足要求，但肋板顶截面裂缝计算值0.15 mm 储备较小，在土压力平衡打破、支座卡死等情况下桥台肋板受力状态超限；桥台桩顶反力2 943.8 kN 小于承载力3 199.7 kN，满足要求，但储备很小，裂缝宽度计算值0.1 mm；桥墩及桩基承载力满足要求，裂缝宽度计算最大值0.153 mm，储备较小；盖梁承载力和抗裂满足要求，墩顶截面最大缝宽计算值0.167 mm，储备较小。综上，该桥符合建设时期规范，属于经济结构，承载力及刚度储备不足。

1) 雾滴飘移是由于自然气流运动产生的作用力推动其运动产生的。辅助气流通过改变自然气流速度方向，胁迫其向下运动而减少飘移量。

3.2 梁体偏移数值分析

上部结构在恒载、活载（包括汽车冲击力）以及温度作用下呈逆时针旋转，兰州方向锐角向偏移-26 mm，白银侧锐角向偏移4.9 mm；在地震作用下呈逆时针旋转，与桥梁实际变形吻合，锐角处最大横向位移48 mm；以上为理论计算值，实际桥梁偏移在恒载、活载、温度、地震等多项荷载作用下不断叠加，逐步增大。此外，由于斜交桥梁自身“爬移”特性，综合荷载因素以及全桥墩柱刚度偏低、垫石不平、支座局部脱空、粱与梁及梁与台背间局部抵死等原因加剧了梁体偏移[4]。

3.3 墩柱偏移、开裂分析

墩柱在荷载作用下顺桥向最大位移30.9 mm，与桥梁实际变形吻合。墩柱在地震作用下顺桥向最大位移43 mm，与桥梁实际变形吻合。综合斜桥爬移特性及原桥墩、桩基设计刚度储备值低等因素，墩柱发生偏移、变形和开裂。厂区堆载加重了墩柱偏位。

3.4 桥台偏移分析

由于台前护坡坡比不足1:1.5 且护坡沉降导致台前土压力降低，台前后土压力不平衡，导致桥台向桥跨方向偏移。

3.5 病害成因综合分析

综合以上分析，桥梁上下部结构偏位主要由以下几方面原因造成：

（1） 该斜交桥上部结构形心与转动中心不重合且50°斜交角偏大，在温度、恒活载作用下，产生不平衡力矩，引起上部结构在平面内转动，梁体偏移。

（2） 与近年设计的桥梁相比，该桥上部结构梁高偏小，腹板及翼缘偏薄，全桥未设置中横隔板，横向刚度偏低；下部结构墩盖梁及桥台帽梁高度偏小，墩台桩基桩径小、桩数少，纵横向刚度偏低。桥梁整体刚度及承载力储备不足，导致桥梁抗扭转能力较差，是该斜交桥偏位的内因之一。

（3） 伸缩缝堵死、支座偏移后，荷载作用下斜交桥不平衡力矩增大且持续存在，导致本桥上部结构变位持续发展。

（4） 桥梁右侧大方量堆载加剧了桥墩与上部结构偏移的相互影响。

（5） T 梁与桥台背墙抵死，梁体相对支座滑移，此“基础爬移”叠加温度、外载因素加剧了上部结构“爬移”及桥墩偏位。

4 加固及纠偏方案设计

4.1 整体加固工序

a. 施工前对桥梁构造尺寸及技术状况进行现场复查，测量梁墩等关键部位高程。b.清理梁、墩混凝土破损、渗水、泛碱及钢筋外露锈蚀区域，对裂缝进行灌缝处理。c.混凝土破损及露筋、渗水区域表面涂刷强渗透型阻锈剂，破损处聚合物砂浆修复，渗水泛碱处涂刷防腐涂料。d.顶升上部结构释放墩柱弹性变形，待桥墩变形稳定后上部结构复位。e.开挖基坑，原系梁裂缝处治、加设桩基础、增设承台。f.依次进行桥墩、盖梁、梁横隔板增大截面施工。g.上部结构纠偏。h.顶升更换全桥支座，修复垫石。i.浇筑挡块，修复伸缩缝。j.桥台前夯填土方反压，锥护坡及防排水设施修复。

4.2 纠偏工序

纠偏前凿除原伸缩缝、挡块，清理梁与墩、台间混凝土垃圾，切断梁与墩、台联系[5]。纠偏分两步进行，先进行上部结构整体顶升使原偏位桥墩恢复弹性形变，待墩柱在有限范围内自然回位稳定后，复测各墩、台位置梁体偏移情况，修正设计纠偏量，然后进行桥梁上部结构及下部结构加固[3]。增加结构刚度包括桩、承台、墩、盖梁、横隔板加固：原桥墩下增直径1.2 m 桩40 个；增设连接新旧桩承台20 个；24 根墩截面直径由1.2 m 增至1.6 m；墩盖梁增大截面；端横隔板厚由15 cm 增至30 cm；最后进行上部结构整体横纵向纠偏复位。整体顶升后，所有支座顶面设带硅脂的四氟滑板作为上部结构临时滑动面，为防止落梁事故，需在支座周围设置临时钢垫块支撑后再落梁[2]。依托盖梁两端钢反力架及梁肋顶点混凝土锲块，按设计要求分步顶推，顶推方向与横隔板一致，横、纵向顶推间歇进行，直至梁体复位达到设计要求。

4.2.1 安装反力架

墩柱盖梁两侧设顶推钢反力架，采用锚栓植入盖梁连接。顺桥向伸缩缝处每条梁肋后设千斤顶，将相邻联跨过渡墩和桥台梁端间隙用千斤顶卡顶。

4.2.2 安装水平顶推装置[1]

安装水平滑动装置时，千斤顶承压不宜长时间作业。须在横向反力架与千斤顶后座间加设临时钢板，以保证在梁在有限的千斤顶行程下达到更大的横向位移。

4.2.3 横向复位[1]

在横向顶推前须进行顶推力计算。横向顶推力加载必须分级进行，每级加载后须在千斤顶后座与横向反力架间设支垫钢板，以保证下一级顶推顺利进行。分级次数根据现场实际情况确定，每次顶推后暂停5 min，复检全部系统，无异常后再进行下级加载。

4.2.4 顶升更换支座、落梁、限位

确认横向顶推到位且无异常后，拆除千斤顶及反力架。最后，再次顶升各墩位主梁，安装新支座后落梁[1]。对照原设计图纸，检测梁、支座、垫石三者之间位置关系，确认符合原设计要求。通过有限元分析梁体安全性能满足成桥后状态，即可设置限位挡块，完成限位。

4.2.5 施工监控

王家湾大桥纠偏复位施工监控主要包括梁体及墩柱位移监测、盖梁及墩柱应力监测两项内容，通过实时监控来保证复位准确，应力控制得当，结构安全稳定。通过位移及应变检测，王家湾大桥纠偏后，左幅第一联0#台锐角右侧边梁伸缩缝处最大纠偏量0.066 m，左幅第二联7#台锐角左侧边梁伸缩缝处最大纠偏量0.126 m；右幅第一联0#台锐角右侧边梁伸缩缝处最大纠偏量0.089 m，第二联7#台锐角左侧边梁伸缩缝处最大纠偏量0.085 m；墩柱横桥向水平位移最大值0.012 m，纵桥向水平位移最大值0.014 m，墩柱垂直度均满足规范要求。墩底应力最大微应变值出现在左幅第1 联3-1#墩底部左侧面，为116 με；盖梁局部应力最大微应变值出现在左幅4#盖梁后侧面，为28 με。墩柱及盖梁最大应变均满足规范要求。

5 加固及纠偏效果

通过有限元数值模拟验算，加固后梁体偏移量、墩柱偏移量与加固前变形相比，偏移量减少，说明加固提高了结构刚度储备，上部结构逆时针旋转及墩柱偏位趋势减弱。通过增设桩基，桩顶反力减小，提高了桩基承载力储备，加固效果满足设计需求。王家湾大桥纠偏加固工程于2019 年实施完成，截至2022 年已运营近三年，目前上部结构未发生爬移病害反弹，墩柱垂直度未发现超过现行规范允许值，结构常使用状态良好，纠偏加固效果显著。

6 结论

大角度斜交桥梁在恒活载作用下，梁体受力状态较为复杂，存在扭转及横向爬移趋势，若受结构本身刚度储备不足，桥梁存在支座脱空、剪切变形、伸缩缝变形、伸缩缝处有填塞物挤死、梁与台背间抵死等病害，桥梁上、下部结构极易发生横向偏位，危及结构安全。斜交桥梁的纠偏及加固需要综合考虑结构刚度、承载力因素，先提高结构抗扭转、抗“爬移”能力，再结合千斤顶顶升纠偏复位技术进行桥梁结构复位，效果较好。