曲線梁橋徑向偏位影響因素分析及防治措施

吳佳佳，王永寶

（1.山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032；2.太原理工大學 土木工程學院，山西 太原 030024）

1 概述

曲線橋梁美觀、適應性好，廣泛應用于高速公路橋梁和城市立交橋。部分橋梁運營中出現(xiàn)了梁體橫向（徑向）偏位等病害，甚至導致外側(cè)擋塊損壞，嚴重降低橋梁的安全性，同時損壞了公路網(wǎng)和城市道路的暢通性。曲線梁橋的徑向偏位來自其結(jié)構(gòu)及受力的復雜性，目前，部分學者開展了針對具體橋梁的徑向偏位成因分析[1-2]，但不具有普遍性，且鮮有關于新建橋梁和既有糾偏橋梁的徑向偏位防治措施。本文從橋梁構(gòu)造及其所受的作用和橋梁病害等方面分析曲線梁橋徑向偏位成因并提出防治措施。

2 曲線梁橋徑向偏位成因分析

2.1 橋梁所受作用對徑向偏位的影響規(guī)律

某單箱單室梁橋，橋面總寬10.8 m，跨徑分布為4×20 m，橋墩編號為0～4號墩。采用Midas建立了有限元模型分析橋梁所受作用對徑向偏位的影響規(guī)律。有限元模型主要考慮恒載、支座沉降、汽車荷載（QC-C20、G120）、離心力、均勻溫度（20℃、-10℃）、梯度溫度（14℃、-7℃）的作用。

計算得到各作用下橋梁的徑向偏位并進行分析匯總?cè)鐖D1，均勻溫升、梯度溫升、自重、離心力、汽車荷載、支座沉降等作用下橋梁產(chǎn)生沿曲線外側(cè)的徑向位移，其中均勻溫升下的位移占比最大，為70.3%，位移為13.6 mm，其次為梯度溫升，占比9.9%，位移為1.9 mm；均勻溫降、梯度溫降、汽車荷載、支座沉降等作用下橋梁產(chǎn)生沿曲線內(nèi)側(cè)的徑向位移，其中均勻溫降下的位移占比最大，為70.6%，位移為6.8 mm，其次為支座沉降，占比18.1%，位移為1.74 mm。由上可知，季節(jié)溫升和日照溫升作用下，梁體將產(chǎn)生沿曲線外側(cè)的徑向位移，而溫度降低時梁體不能完全復位，日積月累，梁體將產(chǎn)生不可恢復的殘余徑向位移。因此，橋梁設計中應充分考慮均勻溫降等有利于梁體復位的作用，科學合理地確定橋梁合龍溫度。

圖1 不同作用下橋梁的徑向位移（單位：mm）

將曲率半徑 75 m、100 m、200 m、300 m、500 m、1 000 m時各因素的占比匯總?cè)绫?。

表1 各作用下梁體徑向偏位占比

可知曲率半徑變化時，各作用導致的梁體沿曲線外側(cè)偏移占比基本不變，隨著曲率半徑的增大，均勻溫降導致的梁體向曲線內(nèi)側(cè)偏移值逐漸減小，支座沉降導致的梁體向曲線內(nèi)側(cè)偏移值逐漸增大。綜上，均勻溫升是造成橋梁沿曲線外側(cè)徑向偏位的主要影響因素，橋梁設計時，應充分考慮不同曲率半徑橋梁的受力性能，合理利用可減小橋梁偏移病害的有利因素。

2.2 曲線橋梁構(gòu)造對徑向偏位的影響規(guī)律

2.2.1 曲率半徑

梁橋曲率半徑分別為75 m、100 m、200 m、300 m、500 m時，建立有限元模型，得到不同作用下橋梁的徑向位移如圖2，位移沿徑向向外為正，向內(nèi)為負，其中均勻溫降、梯度溫降、汽車荷載（最?。⒅ё两担ㄗ钚。┑奈灰茷樨摚瑘D示位移均為絕對值。

圖2 橋梁各作用下的曲率半徑-徑向位移圖（單位：mm）

由圖可知，隨著曲率半徑的逐漸增大，各種作用下橋梁徑向位移均呈現(xiàn)非線性減小，曲率半徑R≤300 m時，曲率半徑對梁體徑向位移影響較為顯著，當R≥500 m時，各作用下梁體徑向位移趨于穩(wěn)定，可采用以直代曲分析梁體徑向位移。值得注意的是，離心力作用對橋梁徑向位移的影響具有明顯的分界點，當R≤200 m時離心力對梁體徑向位移的影響較大，當R＞200 m時離心力對徑向位移的影響較小，基本可以忽略，建議僅在R≤200 m時考慮離心力對梁體徑向位移的影響。

2.2.2 橋梁縱向聯(lián)長

某曲線梁橋，上部結(jié)構(gòu)為1×16 m＋10×20 m＋1×16 m預應力混凝土連續(xù)現(xiàn)澆彎箱梁，橋墩編號為0～12號墩。按照實橋12孔一聯(lián)和劃分為4孔一聯(lián)并選擇合理的支承型式，分別建立有限元模型，計算得到均勻溫升作用下橋梁的徑向位移分別為4.5 mm和0.64 mm?？芍?，橋梁縱向聯(lián)長布置對橋梁徑向位移影響顯著。因此，橋梁設計中，盡量減少橋梁每聯(lián)孔數(shù)，可有效降低橋梁運營中徑向偏位風險。

2.2.3 橋梁支承形式

根據(jù)在運營橋梁常用的支承方式，橋梁支承形式對梁體徑向位移的影響主要包含徑向約束支座的位置、單雙支座的設置，以某四跨橋梁為例，考慮上述影響因素設計4種支承方案，圖3給出了支承三示意圖，計算得到不同支承形式均勻溫升作用下的最大徑向位移如表2。

圖3 支承三示意圖

表2 不同支承形式下橋梁的徑向位移

由表2可知，支承一的徑向位移僅為支承二的46%，支承一、二各橋墩均設置雙支座，支承一采用徑向約束支座位于2號墩的對稱布置方案，支承二徑向約束支座位于1號墩，表明曲線梁橋支座對稱布置，可以大幅減小橋梁的徑向位移；不同支承形式橋梁徑向位移有支承一（4.3 mm）＜支承三（4.5 mm）＜支承四（8.0 mm），支承一、三、四徑向約束支座均位于2號墩，邊墩均采用雙支座，中墩支座分別采用雙支座、單/雙支座交替、單支座，表明雙支座及單/雙支座交替布置橋梁的徑向位移較小，且基本一致，能夠有效限制橋梁的徑向偏移。

2.3 伸縮縫卡死對徑向偏位的影響規(guī)律

伸縮縫堵塞卡死是造成曲線橋梁徑向偏位的主要病害，通過有限元分別計算得到伸縮縫正常運行和卡死后均勻溫升下橋梁的徑向位移分別為4.3 mm和7.0 mm，伸縮縫堵塞卡死后橋梁的徑向位移大幅增加，因此加強橋梁伸縮縫的日常養(yǎng)護可以降低橋梁徑向偏位的風險。

3 曲線梁橋偏位防治措施

針對曲線橋梁偏位成因，建議在橋梁設計、養(yǎng)護中注意以下幾點。

a）曲線橋梁設計時，在充分考慮路線走向的前提下，應盡量避免選擇較小曲率半徑，必須選擇小曲率半徑時，應充分考慮均勻溫升對橋梁徑向位移的不利影響。橋梁總長較長時，可分多聯(lián)，應合理減少每聯(lián)的跨數(shù)。

b）曲線梁橋建議優(yōu)先選擇雙支座，且支座應對稱布置。

c）曲線橋梁設計應綜合考慮合龍溫度對橋梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響，在保障橋梁安全經(jīng)濟的前提下可選擇較高的合龍溫度。

d）橋梁設計時應合理選擇伸縮縫以適應梁體升降溫下的變形，橋梁運營中應加強伸縮縫日常養(yǎng)護，伸縮縫堵塞、卡死應及時處治。

e）為保障橋梁的安全運營，發(fā)現(xiàn)偏位的，應及時復位，分析原因并處治。

4 結(jié)語

通過有限元分析了曲線橋梁徑向偏位主要影響因素，并提出了針對性的防治措施，結(jié)論如下：

a）均勻溫升、小曲率半徑、伸縮縫堵塞卡死是造成橋梁沿曲線外側(cè)徑向偏位的主要影響因素，均勻溫降有利于梁體復位，橋梁設計中應充分考慮不同曲率半徑橋梁的受力性能，科學合理地確定橋梁合龍溫度。

b）當曲率半徑R≥500 m時，各作用下梁體徑向位移趨于穩(wěn)定，可采用以直代曲分析梁體徑向位移。建議僅在R≤200 m時考慮離心力對梁體徑向位移的影響。

c）橋梁縱向聯(lián)長布置對橋梁徑向位移影響顯著，設計中應盡量減少橋梁每聯(lián)孔數(shù)。曲線梁橋應優(yōu)先選擇雙支座，且支座對稱布置可大幅減小橋梁的徑向位移。

d）橋梁運營期間應加強伸縮縫的日常養(yǎng)護，以降低橋梁徑向偏位的風險。