獨柱彎梁橋受力特點分析與病害處治

黃啟梓

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司,廣東 深圳 518029）

獨柱彎梁橋受力特點分析與病害處治

黃啟梓

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司,廣東 深圳 518029）

以預(yù)應(yīng)力混凝土彎梁橋的受力特征作為出發(fā)點,通過一個工程實例,探討了會嚴重影響橋梁結(jié)構(gòu)安全和正常使用的病害所產(chǎn)生的原因及處治的方法。

獨柱墩；彎梁橋；病害；加固

1 概述

混凝土曲線箱梁橋（彎梁橋,下同）是公路、城市立交橋匝道不可或缺的結(jié)構(gòu)形式,其抗扭剛度大,線形美觀[1]。彎梁橋與直線梁橋相比,在荷載、預(yù)應(yīng)力、溫度、收縮徐變等作用下產(chǎn)生的彎-扭耦合效應(yīng)十分復雜[2],若設(shè)計考慮不周,會有發(fā)生支座脫空、向外爬移、向外翻轉(zhuǎn)等病害的風險。

彎梁橋的受力要比直線梁橋復雜得多:主梁具有較大的撓曲變形,彎-扭耦合效應(yīng)突出和扭矩影響支座反力分布等。若在早期的設(shè)計、施工中對彎梁橋受力特征的分析考慮不足,會使彎梁橋在施工、營運過程中出現(xiàn)各種問題或埋下隱患。建成的現(xiàn)存很多彎梁橋存在著曲線內(nèi)側(cè)支座脫空、腹板開裂、結(jié)構(gòu)沿著曲線外側(cè)徑向側(cè)移、梁體翹曲、橋墩產(chǎn)生水平環(huán)形裂縫等病害現(xiàn)象。

彎梁橋橋墩設(shè)計時,根據(jù)橋?qū)拰嶋H情況,多采用獨柱、雙柱支承或獨柱加設(shè)帽梁的方式。獨柱墩因具有占地少,視野開闊,橋下通透等優(yōu)點而多被采用。然而對于彎梁橋的設(shè)計,特別是小半徑彎梁橋,結(jié)構(gòu)驗算采用平面桿系程序已經(jīng)不能滿足設(shè)計要求,需根據(jù)工程實際建立全橋模型,利用空間分析程序?qū)χ髁骸蚨?、樁基進行整體的分析。

2 彎梁橋受力特征

2.1 彎-扭耦合作用

普通鋼筋混凝土彎梁橋的扭矩主要由內(nèi)外緣腹板自重不同引起；預(yù)應(yīng)力混凝土彎梁橋除了內(nèi)外緣自重不同外,預(yù)應(yīng)力鋼束在空間方向的分布對于扭轉(zhuǎn)中心也會產(chǎn)生很大的扭矩。預(yù)應(yīng)力徑向力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)方向往往是向外翻轉(zhuǎn),當該扭轉(zhuǎn)效應(yīng)達到一定程度時,曲線內(nèi)側(cè)支座就會發(fā)生脫空,使橋梁支承體系發(fā)生變化。

豎向荷載作用在彎梁橋上時,由于彎橋曲率的影響,結(jié)構(gòu)同時產(chǎn)生彎矩和扭矩,并相互影響,這就是彎梁橋所獨有的受力特征:彎-扭耦合作用[3]。在彎-扭耦合作用下,彎梁橋上的應(yīng)力及撓曲變形為彎矩和扭矩共同作用下的結(jié)果,結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形值要比同等跨徑的直線橋大,且外緣彎曲應(yīng)力大于內(nèi)緣彎曲應(yīng)力,外緣撓度大于內(nèi)緣撓度,曲率半徑越小,內(nèi)外緣的應(yīng)力及撓度差值越大。在彎-扭耦合作用下,梁端可能發(fā)生翹曲,梁體有可能向曲線外側(cè)爬移[4]。

2.2 曲線內(nèi)、外支座支反力差異大

彎梁橋由于存在較大的扭矩,因而往往會使外側(cè)支反力增大、內(nèi)側(cè)支反力減小,尤其是在橋梁寬度較大或者曲線半徑較小的情況下。若橋梁設(shè)計沒有采用特殊構(gòu)造措施,如中支點預(yù)偏心、加大內(nèi)外側(cè)支點間距等,則曲線內(nèi)外支點反力可能差異很大,使得內(nèi)側(cè)支點有可能發(fā)生“負反力”；若橋梁設(shè)計沒有采用抗拉支座,主梁和支座就會分離,即“支座脫空”,內(nèi)側(cè)支座退出工作,全部支反力由外側(cè)支座承擔。

2.3 下部橋墩受力復雜

如果設(shè)計時未考慮相關(guān)措施,則成橋時橋梁在曲線內(nèi)外側(cè)支反力差異很大,橋墩在恒載作用時即已承受較大的偏心力,若發(fā)生支座脫空現(xiàn)象,則偏心力更甚。除恒載偏心產(chǎn)生彎矩外,墩頂還會有水平力的產(chǎn)生,如制動力、溫度力等,故彎梁橋的橋墩設(shè)計應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的空間受力特征才能確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。

3 某小半徑曲線箱梁人行橋病害剖析與加固

3.1 工程概況及病害描述

某小半徑曲線預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁人行橋,全橋主梁合計三聯(lián),計8跨,全長175.04 m,第一聯(lián)（1.65+10.18+19.50）m；第二聯(lián)（4×25.00）m；第三聯(lián)（2×21.03+1.65）m；橋?qū)?.00 m,梁高1.25 m,為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。橋墩為單柱圓墩,柱徑1.00 m,中支點單點支承,邊支點雙點支承。R0#、R8#、R2#、R6#墩為分聯(lián)墩,R1#、R3#、R4#、R5#、R7#墩為中間墩,均采用圓板式橡膠支座。

檢測報告描述:第一、二聯(lián)的梁體間隙為11.0 cm,第二、三聯(lián)的梁體間隙為15.5 cm；第二聯(lián)梁體相對于第一、三聯(lián)梁體發(fā)生向外側(cè)水平位移,位移量分別為1.5 cm和1.0 cm；第二聯(lián)梁體向外翻轉(zhuǎn), R2#墩分聯(lián)處橋面左、右欄桿立柱分別傾斜下沉1.5 cm和上翹4.5 cm,R6#墩分聯(lián)處橋面左、右欄桿立柱分別傾斜下沉0.5 cm和上翹2.0 cm；R2#墩第3跨側(cè)2#支座（內(nèi)側(cè)支座）和R6#墩第6跨側(cè)2#支座（內(nèi)側(cè)支座）頂部均完全脫空,脫空量分別為3.6 cm和2.4 cm。對分聯(lián)處梁體間隙、水平位移、護欄立柱錯位、橋面橫坡和支座變位等,分別采用鋼直尺、高精度水準儀進行精確測量,發(fā)現(xiàn)第二聯(lián)梁體已經(jīng)產(chǎn)生了明顯向外翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,并有輕微向外的水平位移。

分聯(lián)處的R2#、R6#墩柱身曲線內(nèi)側(cè)沿高度方向有大量的水平環(huán)向裂縫,間距10～40 cm,長度為50～130 cm。

3.2 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析采用MIDAS-CIVIL程序建立空間有限元模型,將主梁、墩柱離散為梁單元結(jié)構(gòu),如圖1所示。首先對橋梁現(xiàn)狀進行驗算分析（結(jié)果見表1）,找出發(fā)生病害的原因,再根據(jù)加固方案（見圖2）驗算加固后的橋梁受力狀況。

圖1 全橋離散模型

表1 預(yù)應(yīng)力張拉完成階段支反力匯總表

圖2 橋梁加固設(shè)計圖(單位:mm)

表1結(jié)果表明,第二聯(lián)主梁在預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后,邊支點R2#、R6#墩曲線內(nèi)側(cè)支座就已脫空,退出工作；第一、三聯(lián)主梁在成橋階段未出現(xiàn)負反力,與現(xiàn)場實際一致,說明第一、三聯(lián)主梁未發(fā)生病害。

3.3 病害原因分析

（1）由于該橋修建于20世紀90年代初期,當時對于彎梁橋的設(shè)計經(jīng)驗不足,而電算多為平面桿系程序模型,設(shè)計時對預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的扭矩估計不足。根據(jù)本次驗算結(jié)果,主梁在預(yù)應(yīng)力張拉后邊支點內(nèi)側(cè)支座就已脫空。

（2）該橋原設(shè)計僅在第二聯(lián)中墩設(shè)置3 cm預(yù)偏心,支座預(yù)偏心設(shè)置過小,不足以改善全梁扭矩分布,對邊支點支反力的影響甚微,不足以改善由于主梁結(jié)構(gòu)自身內(nèi)外腹板的自重差及預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生的扭矩,從而引起邊支點曲線內(nèi)側(cè)的支座脫空。

（3）支承體系設(shè)計不合理。全橋全部采用板式橡膠支座,中墩全部采用單點支承,無固結(jié)墩,致使支承體系在平面外約束較弱,導致平面外的位移。

（4）由于橫向約束較弱,彎梁橋在溫度、收縮徐變等作用下產(chǎn)生的橫向位移不斷積累,且無法完全恢復,即出現(xiàn)了“爬移”現(xiàn)象。

（5）管養(yǎng)不到位?，F(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn),主梁伸縮縫被設(shè)置一根PVC管,并用水泥砂漿填筑,影響了伸縮縫的正常使用功能,約束了梁體的縱向伸縮變形,加速了梁體向外水平位移。

3.4 病害處治及加固

3.4.1 增設(shè)樁基、承臺、加固橋墩

R2#、R3#、R5#、R6#墩在曲線外側(cè)增設(shè)樁基,新增樁基礎(chǔ)與既有樁頂處增設(shè)承臺,并加固橋墩。采取截面加大和外包鋼板的方法進行加固墩柱,外包16 mm厚鋼板,墩柱直徑由1.0 m加大到1.3 m；柱內(nèi)澆筑C30無收縮混凝土,鋼板內(nèi)側(cè)設(shè)剪力釘以增強混凝土與鋼板間的連接,在蓋梁底鋼板與鋼管柱之間焊接鋼板靴,形成固結(jié)作用。墩柱底用螺栓錨固鋼板與承臺構(gòu)成固結(jié)。

3.4.2 第二聯(lián)箱梁采用千斤頂頂升復位

搭設(shè)支架(預(yù)留蓋梁位置),在R3#、R5#墩橫梁處主梁中心左右側(cè)1.3 m處各布置2臺千斤頂,由曲線外側(cè)千斤頂向上頂升復位主梁,千斤頂初頂力300 kN（單個千斤頂）,頂力與位移雙控,當R2#、R6#墩曲線內(nèi)側(cè)脫空支座恢復作用時,曲線外側(cè)千斤頂繼續(xù)向上頂250 kN（單個千斤頂）,保持頂力。施工時對主梁位移實時監(jiān)測,并記錄脫空支座恢復作用時的頂力。

3.4.3 中支點橋墩增設(shè)鋼蓋梁，變單點支承為雙點支承

蓋梁的鋼結(jié)構(gòu)部分由工廠制作,現(xiàn)場拼裝后蓋梁箱內(nèi)灌注C40無收縮混凝土。R3#、R5#墩主梁左右側(cè)千斤頂依次向上頂升,在梁底與原支座脫空1 cm時保持頂力,取出原墩頂支座后緩慢卸載,完成單支座至雙支座的轉(zhuǎn)換。

3.4.4 伸縮縫及橋墩裂縫處治

伸縮縫堵塞將影響梁體的自由伸縮變形,應(yīng)全面檢查全橋伸縮縫,對已經(jīng)被堵塞的進行清理、更換。伸縮縫清理在主梁頂升前完成,其他縫隙雜物清理工作及伸縮縫恢復應(yīng)在墩梁加固措施完成后實施。另外,采用環(huán)氧樹脂膠直接封閉橋墩裂縫。

4 結(jié)語

本文通過對一個典型的彎梁橋的病害實例分析,印證了彎橋梁的受力特點。由于彎梁橋結(jié)構(gòu)受力復雜,設(shè)計時應(yīng)引起足夠的重視；在進行彎梁橋加固設(shè)計時,亦需根據(jù)其受力特點來分析病害根源,才能消除病害,治標并治本。

[1]邵容光.混凝土彎梁橋[M].北京:人民交通出版社,1996.

[2]孫廣華.彎梁橋計算[M].北京:人民交通出版社,1997.

[3]周紅成.小半徑彎梁橋的設(shè)計選型與結(jié)構(gòu)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013（21）:191-192.

[4]李曉飛,趙穎華.連續(xù)曲線橋橫向破壞機理分析[J],道路與鐵道工程,2004（6）:513-517.

U443.3

B

1009-7716（2017）07-0081-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.024

2017-03-24

黃啟梓（1986-）,男,福建三明人,工程師,從事橋梁設(shè)計工作。