鄭 超

曲線匝道橋梁體橫向滑移的成因分析與處治

鄭 超

鄭 超

鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院

曲線匝道橋一般平面半徑較小，橫向滑移現(xiàn)象較為突出。本文通過工程實(shí)例，結(jié)合空間計(jì)算軟件midas civil對支座橫向受力進(jìn)行了檢算并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對，通過分析總結(jié)出橫向梯度溫度和離心力是梁體產(chǎn)生橫向滑移的主要原因，并針對性地提出了合理有效的治理措施。

1 引言

近年來隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、公路路網(wǎng)及城市道路交通量的不斷增大，為了解決交叉道路間交通流的轉(zhuǎn)換，互通式立體交叉的數(shù)量也在不斷增多。曲線匝道橋作為互通式立體交叉的重要組成部分，作為小半徑彎橋的代表橋型，其典型的支座脫空、梁體橫向滑移、翹曲、橫向失穩(wěn)等病害現(xiàn)象也越來越突出，不僅影響行車舒適性，并且產(chǎn)生較大的安全隱患。為了有效地對此類病害進(jìn)行處治，首先需要對曲線匝道橋的病害成因進(jìn)行分析，進(jìn)而針對性地提出處理措施，以消除病害確保橋梁處于健康、安全的運(yùn)營狀態(tài)。

2 工程實(shí)例

某互通式立交匝道橋平面位于R=300m圓曲線和緩和曲線上，該橋上部構(gòu)造為3×25+4×25+（37.5+45.7+45.7+37.5）+4×25+3×25m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，單箱單室截面，橋?qū)?.5m，聯(lián)與聯(lián)之間采用牛腿搭接，全橋共5聯(lián)。該橋下部結(jié)構(gòu)采用花瓶型獨(dú)柱橋墩，設(shè)雙支座，基礎(chǔ)為雙柱（單排）或四柱（群樁）鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)與墩身間采用承臺連接，橋臺為輕型薄壁式橋臺。

圖1 匝道主梁支座橫向滑移示意圖

主梁和支座橫向滑移集中出現(xiàn)在第3聯(lián)，其它聯(lián)沒有發(fā)現(xiàn)明顯的病害。第3聯(lián)的11#墩處主梁、支座向曲線外側(cè)滑移最大，滑移值40cm； 10#、11#墩支座限位鋼板剪斷，11#墩支座橡膠體彈出破壞梁體混凝土。

3 梁體橫向滑移原因分析

按照影響梁體橫向滑移的因素的不同，分兩種工況分別對第3聯(lián)橋梁支座橫向受力進(jìn)行計(jì)算分析。

主要計(jì)算參數(shù)：

設(shè)計(jì)速度：60km/h

設(shè)計(jì)荷載：城-A級，（并用公——Ⅰ進(jìn)行驗(yàn)算）

整體溫度：整體升溫30度，整體降溫25度

豎向梯度溫度：頂板梯度溫度按10度考慮

橋梁最大縱坡：2.8％

（1）支座橫向受力檢算（按規(guī)范不考慮箱梁橫向梯度溫度力及汽車離心力）

驗(yàn)算采用MIDAS CIVIL計(jì)算軟件，根據(jù)橋梁平面線形建立模型進(jìn)行上、下部結(jié)構(gòu)的整體模擬與受力分析，支座橫向受力驗(yàn)算考慮了上部箱梁的整體升降溫和豎向梯度溫度、縱向預(yù)應(yīng)力及橫向風(fēng)力產(chǎn)生的水平力。

按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D62-2004）第4.3.3條規(guī)定和《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D62-2004）第4.3.10條文解釋中規(guī)定，先按不考慮汽車離心力和橫向梯度溫度作用進(jìn)行驗(yàn)算（見表1）。

表1 第3聯(lián)各橋墩支座水平力計(jì)算一覽表

經(jīng)計(jì)算分析證明：按原設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)匝道橋第3聯(lián)各橋墩支座設(shè)計(jì)橫向承載能力滿足要求，且有較大富余度。

（2）支座橫向受力檢算（考慮箱梁橫向梯度溫度力、汽車離心力的影響）

支座橫向力驗(yàn)算除考慮了箱梁整體升、降溫和豎向梯度溫度、縱向預(yù)應(yīng)力、橫向風(fēng)力產(chǎn)生的水平力外，還考慮了對本橋影響較大的橫向梯度溫度力作用產(chǎn)生的水平力。（橫向梯度溫度：箱梁內(nèi)側(cè)腹板與外側(cè)腹板溫差按10度考慮；離心力計(jì)算公式：F=車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值*C，其中C=V2/127R）（見表2）。

表2 第3聯(lián)各橋墩支座橫向力計(jì)算一覽表（計(jì)入橫向梯度溫度及離心力）

從表2結(jié)果中可以看出：在計(jì)入箱梁橫向溫度梯度的影響及汽車離心力的影響后，第3聯(lián)10#墩及11#墩處的支座水平力已超出其對應(yīng)型號的承載力最大值，而實(shí)測的橋梁支座水平向位移較嚴(yán)重的位置為：11#墩處水平位移（40cm），10#墩處水平位移（22cm）。

（3）橫向滑移原因分析

通過上述計(jì)算結(jié)果的對比分析，結(jié)合橋梁所處的交通環(huán)境，總結(jié)出梁體產(chǎn)生橫向滑移病害的原因如下。

1）現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對溫度力的解釋：依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D62-2004）第4.3.10條文中的解釋，規(guī)范中在計(jì)算橋梁溫度力影響時(shí)只考慮了箱梁豎向的梯度溫度作用而沒有考慮箱梁橫向梯度溫度的作用。但是根據(jù)其他工程病害實(shí)例的分析論證，橫向梯度溫度對曲線橋橫向滑移效應(yīng)的影響較大，并且本橋的位置大致為西北至東南走向，在夏季高溫天氣時(shí)，橋梁東側(cè)完全處于太陽西曬的位置，與西側(cè)橋梁相比該側(cè)的溫度影響更顯著，從而造成兩側(cè)腹板間的溫差較大，使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可忽略的溫度作用力。在考慮了該效應(yīng)后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，橫向梯度溫差產(chǎn)生的水平力占支座總水平力的比例較大，也是支座限位擋塊產(chǎn)生破壞的主要原因之一。

2）該橋目前車流量極為繁忙，超載、重載車輛較多，橋梁的實(shí)際通行荷載可能大于設(shè)計(jì)荷載，導(dǎo)致車輛離心力造成梁體所受的離心力過大。

3）部分支座實(shí)際安裝為限制縱向活動與設(shè)計(jì)不符，支座的橫向限位不足。

4）橋梁縱坡大，支座約束破壞后車輛制動力加速梁體移動。

5）橋梁各橋墩處缺少限位裝置，加劇梁體的橫向爬移。

6）對于預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生的扭矩認(rèn)識還不太全面，計(jì)算分析中可能未計(jì)入預(yù)應(yīng)力對扭矩的影響以及梁體混凝土自身的收縮、徐變等因素。

4 處治措施

根據(jù)以上成因分析，要有效的消除橫向滑移現(xiàn)象并保證不會反復(fù)，首先需要將滑移的梁體進(jìn)行復(fù)位，墩頂加寬加厚后增設(shè)抗震擋塊，然后對破壞的支座予以更換，采用水平位移大、適應(yīng)大轉(zhuǎn)角的球形減震支座，同時(shí)考慮到施工的可操作性和安全性。

（1）完善橋梁抗震設(shè)施

對橋墩進(jìn)行改造施工，在墩頂處加寬加厚；在橋墩和分聯(lián)的牛腿處增設(shè)混凝土抗震擋塊，并在每個(gè)擋塊處均設(shè)減震橡膠墊塊。

（2）對梁體進(jìn)行頂升與復(fù)位

通過在蓋梁端部增設(shè)千斤頂臺座和沿蓋梁長度方向的橫向預(yù)應(yīng)力束，對箱梁梁體先頂升再橫向復(fù)位。梁體頂升前必須清除梁端及底板雜物，解除支座約束，使得梁體能夠自由伸展。對梁體橫向位移大于10cm處橋墩進(jìn)行復(fù)位處理，橫向復(fù)位的數(shù)值為梁體橫向移位量的一半（部分復(fù)位）。

為保證頂升過程中梁體位移及梁體應(yīng)力控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，并確保頂升過程中的安全控制，在施工中應(yīng)全過程設(shè)立第三方施工監(jiān)控。施工前主要是對各監(jiān)測點(diǎn)取得各項(xiàng)監(jiān)測參數(shù)的初值，如觀測點(diǎn)坐標(biāo)情況、標(biāo)高等。整體頂升復(fù)位時(shí)包括頂升、復(fù)位、支座更換等過程的監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容主要包括位移監(jiān)測、橋梁的整體姿態(tài)監(jiān)測、控制斷面監(jiān)測等。

（3）支座更換

匝道橋原來使用的支座為GPZ（II）型盆式橡膠支座，支座更換擬采用原支座上鋼板螺栓孔，對限位支座通過補(bǔ)加孔位加強(qiáng)支座抗剪能力；新支座采用減震型球形支座，球型橡膠支座具有傳力可靠，各向轉(zhuǎn)動性能一致，不僅具備盆式橡膠支座承載能力大、水平位移大的特點(diǎn)，而且能適應(yīng)大轉(zhuǎn)角的需要特別適用于曲線橋。支座的水平承載力不小于豎向承載力的15％，支座各項(xiàng)性能不低于《球型支座技術(shù)條件》（GB/T17955-2000）標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過以上治理措施的實(shí)施，目前橋梁各觀測指標(biāo)均處于正常范圍，運(yùn)營使用狀況良好。

5 結(jié)語

對于建設(shè)時(shí)間較早的、已經(jīng)出現(xiàn)橫向滑移病害的類似橋梁，通過加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施、頂升復(fù)位、調(diào)整支座預(yù)偏心、更換支座形式的方式能有效解決曲線匝道橋的滑移病害。對于新建橋梁，建議在考慮常規(guī)的恒載、活載、混凝土收縮徐變、整體升降溫、豎向梯度溫度、預(yù)應(yīng)力等荷載作用外，還應(yīng)考慮橫向梯度溫度、離心力的影響，通過設(shè)計(jì)合適的梁體構(gòu)造形式、調(diào)整支座預(yù)偏心、優(yōu)化支座形式等方式來預(yù)防和阻止曲線橋梁橫向滑移現(xiàn)象的發(fā)生。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.056