张重阳

(黄淮学院建筑工程学院，河南 驻马店 463000)

某主线桥是广东省高速公路“九纵五横两环”中的重要交通枢纽。桥梁全长304.14 m，于2016年底全线通车。该桥上部结构采用跨径组合为10×30 m的预应力混凝土先简支后桥面连续T梁，每跨7片T梁，全桥共分为四联，其中第一联和第四联各1跨，如图1所示。该桥梁位于直线段上，桥面全宽16.5 m，两侧防撞栏宽0.5 m，桥面采用11 cm沥青混凝土桥面铺装。桥梁下部结构采用桩柱式桥台和直径为1.6 m和2 m的双柱式墩。桥梁设计荷载为公路-Ⅰ级。

在专项检查的过程中发现，该桥梁梁体存在往下坡方向滑移的现象，导致全桥范围内的支座、垫石和楔形块均较原来的位置出现了不同程度的滑动，部分伸缩缝型钢出现超宽或顶死的状况，墩柱的竖直度也出现了不同程度的倾斜。本文根据该桥梁检测情况进行病害原因分析[1]，并对第二联和第三联建立有限元模型进行结构计算[2]，最后给出适用于该桥的加固处治措施。

图1 桥梁立面布置图(单位：cm)

在定期检查的基础上，对该桥梁进行全面细致的专项检查，主要包括：①梁底楔形块相对支座滑移量的量测；
②支座及支座垫石与盖梁的相对平面位置的量测；
③梁体间距和伸缩缝型钢间距的量测；
④测量各墩柱竖直度。

2.1 主要病害

(1)支座系统。桥梁的第二联(第2跨～第5跨)和第三联(第6跨～第9跨)梁底楔形块较支座均有往纵坡下坡方向及横坡下坡方向的滑痕，支座相对下垫石基本无明显滑移痕迹，支座往下坡方向剪切10°～ 20°，如图2所示；
根据实际测量桥梁各支座和楔形块平面相对位置，5#墩顶梁底楔形块滑痕量值最大，纵向有88 ～148 mm，横向有18 ～ 71 mm。第1跨和第10跨两边跨梁底楔形块及支座未见明显异常。

图2 支座脱空及相对滑移

(2)伸缩缝。9#墩顶伸缩缝型钢顶死，1#与5#墩顶伸缩缝型钢间距分别为97 mm、78 mm，均接近或超过限值，且对应路面标线及外侧防撞墙存在大里程较小里程向右侧横向错位5～18 mm、6～32 mm的情况(检查时气温28℃)。

(3)梁端间距测量情况。1#墩和5#墩顶处外边梁端间距分别为13.5 cm和8.4 cm，9#墩顶外边梁梁端间距最窄，但仍有5 cm的宽度，虽然墩顶伸缩缝型钢顶死，但是通过对上部结构的检查及相关数据的量测，判断梁端并未顶死。

(4)外边梁梁端与墩顶支座垫石中对中情况。墩顶2排支座垫石的中心线与盖梁中心线偏差较大，故采用支座垫石中心线与梁端中心线纵向位置进行比较。通过测量对比发现，梁端中线相对支座垫石中线均存在往大里程方向偏位的现象，其中5#墩顶边梁梁端中线相对支座垫石中线往大里程方向偏位105 mm。

2.2 病害原因分析

根据现场实测支座与楔形块相对位置、伸缩缝以及梁端间距等情况，梁体滑移原因主要有以下几点[3]：

(1)受桥梁结构的纵坡影响，梁体会产生往低处的力。在汽车荷载作用下，包括上坡方向的车辆对桥面的摩擦力，或车辆前进方向的制动力等，也会对上部结构产生水平力，通常这个力由支座摩擦力(支座剪切变形)提供。随着使用年限的增加，综合多种因素，支座摩擦力或支座剪切变形不足以抵抗陡坡上梁体自重下滑力、汽车制动力或爬坡力沿着主梁下坡方向产生的水平分力，导致梁体滑移。

(2)根据实测数据，桥梁支座局部脱空较为普遍，分析是梁底调平施工精度不足，导致各支座处受力不均，变形不协调，支座可提供的摩擦力较小，主梁受过往车辆，特别是重车的冲击和振动影响，叠加行驶车辆的制动力或加速力等，导致梁体不断往下坡方向产生滑移，且滑移后不能恢复，位移在累加。

(3)支座受力不均局部受压，因支座安装不水平，T梁将上部荷载传递给支座时，会产生一定的水平分力，该水平分力会使得T梁有向下滑动的趋势，梁体反过来挤压局部脱空支座或未放置水平的支座，导致支座产生反向移位。

(4)梁体在温度、收缩徐变作用下的梁体变形导致与支座间产生相对滑动，部分滑动变形不能完全恢复，且长年累积导致位移越来越大。

(5)其他原因的影响。比如施工时的误差影响，受陡坡地形、推土等影响，桥梁桩柱受不平衡土压力导致桩柱产生推移。并且在桥梁运营的过程中，可能存在意外安全事故，如多辆车一起制动产生的水平力较大，受惯性力影响引起上部结构水平变位。

根据检测结果，桥梁梁体变位情况、纵坡、行车方向等，与纵坡大小、行车方向不存在必然的规律性，经分析应是多种因素叠加引起的结果。

3.1 建立模型

桩柱受梁体移位后，支承位置发生变化，桩柱会产生偏心弯矩，垂直度也有一定变化。根据梁体滑移检测情况，对于该桥1-9#墩上下部结构建立模型，每跨主梁的滑移量和桥墩垂度按照检测报告实测值在模型中模拟。模型中主要考虑了恒载、活载汽车制动力、风荷载和温度荷载的作用，其中汽车荷载按照公路-Ⅰ级，横向布置4个车道[4]。主梁与盖梁采用弹性连接模拟支座刚度，桩土作用按照m法计算桩基与地基的弹簧约束刚度模拟，如图3所示。

图3 有限元计算模型

3.2 静力计算结果

经验算，横桥向不控制设计，故主要以顺桥向验算为主。将梁体自重、汽车制动力、温度荷载、收缩徐变以及风荷载等进行组合，分别取基本组合和频遇组合最不利情况进行下部结构桩柱验算。验算根据规范JTG 3362—2018[5]进行，验算结果如表1和表2所示。由验算结果可知，墩底处纵桥向截面和桩基最不利处纵桥向截面验算抗压、抗弯承载力均满足规范要求。

表1 墩底截面静力验算结果

续表

表2 桩基截面静力验算结果

4.1 总体加固思路

结合桥梁现状及典型构件验算，支座变形和伸缩缝等尚能基本满足使用要求。考虑梁体复位的复杂性和难度、处治期间对主线通行影响，目前暂推荐较为简单的处理方案，即采用支座调平和加限位装置等措施控制梁体和支座进一步滑移。后续加强观测，确认梁体、支座是否会继续移位。如后续继续变位，应结合实际情况适时确定梁体复位，恢复梁体及支座的正常功能。

4.2 处治措施

(1)支座脱空处治。考虑支座脱空和局部偏位，对上构T梁受力不利，且结合上述分析，支座脱空是引起梁体滑移的主要原因之一，拟对支座与梁底调平局部脱空区域进行处理。对于局部脱空面积小于10%的，可暂不处理；
对于局部脱空超过10%的，采用压注环氧树脂胶(脱空最大高度2 mm以内)或在钢板与支座接触面涂抹环氧树脂胶后打入楔形调平钢板的方式(脱空高度2 mm以上)，如图4所示；
对于支座偏位较大(支座部分超出垫石或梁底调平)的，在梁底调平处理之前，先局部整体顶升梁体后将支座位置调整复位，保证支座全面积在垫石、梁底调平范围；
对于支座剪切变形较大或损坏的，需要进行更换支座。

图4 支座系统改造示意图

(2)伸缩缝。清理梁端间距之间的杂物、建筑垃圾等，必要时采用绳锯切割处理，以尽量充分利用既有梁端缝隙。对伸缩缝缝宽变化不大的桥梁，若根据计算满足规范要求，可不予处治；
对于缝宽变化较大的桥梁，建议拆除更换伸缩缝，减小缝宽；
对于伸缩缝已顶死，但梁端仍有一定间隙的，拆除更换伸缩缝，满足变形要求。

(3)限位措施。①对梁体与挡块之间，在横桥向设置橡胶垫块，橡胶垫块厚度以与梁体腹板、挡块内侧紧密贴合为原则进行布设。橡胶垫块在桥台处单侧挡块处设置1块、在桥墩单侧挡块处设置2块(前后跨梁体分别设置1块)，橡胶垫块采用环氧树脂胶粘贴在挡块内侧，顶面与挡块顶平齐。根据梁体腹板与挡块之间的宽度，可适当调整橡胶垫块的厚度，必要时可以单侧设置2块橡胶垫块，保证橡胶块与梁侧面贴合，如图5所示。②通过检查各桥主梁向下坡方向滑移情况，可在桥墩盖梁上植筋设置限位混凝土挡块，并在挡块内侧粘贴橡胶垫块来进一步限制主梁的滑移，其中橡胶垫块的厚度视具体情况而定。新增限位挡块兼有横向和纵向限位功能，挡块与横隔板之间的间隙设置橡胶垫块，与T梁腹板之间也设置橡胶垫块。橡胶垫块采用环氧树脂胶粘贴在挡块上。并对桥下陡坡适当整平，减小不平衡土压力造成的桥墩偏位，如图6所示。

图5 横桥向限位示意图

图6 顺桥向限位示意图

4.3 增设纵向限位挡块后的受力验算

增设纵向限位挡块后，如梁体继续滑移，则新增挡块通过横隔板限制梁体的继续变位，在此需对横隔板进行结构验算。同时，在设置限位挡块后，虽然挡块与横隔板之间预留5 cm间隙，但要求安装5 cm厚橡胶垫块，受整体升降温及混凝土收缩徐变影响，梁体变位将通过横隔板、限位挡块传递水平力至下部结构。

(1)横隔板承载力验算。为使验算结果更加安全，考虑最不利工况下横隔板受力状况，基于前面两联T梁模型，因为1#墩和9#墩前后仍有主梁作用，前面两联模型无法准确得到其墩顶水平力值，故取其余2～8#墩墩顶水平力最大值进行横隔板抗剪承载力验算。通过Midas Civil 2020建立横隔板局部梁单元模型进行受力分析，因为新增加限位挡块与横隔板接触面积较小，故选取0.5 m宽横隔板进行建模计算，横隔板两端边界条件采用全固结的方式。

根据规范GB 50010—2010[6]中6.3.3项，对于不配置箍筋和弯起钢筋的一般板类受弯构件，其斜截面受剪承载力应符合满足下列公式：

V≤0.7βhftbh0

(1)

(2)

根据公式计算可得，横隔板的斜截面抗剪承载力值V=119.1 kN。因在每个桥墩盖梁梁端增设限位挡块，根据实际情况等效为支座弹性连接垂直于横隔板方向的弹性支撑刚度，并考虑了制动力，风荷载和温度等荷载最不利状况下的组合作用，由模型计算各桥墩处垂直于横隔板方向水平荷载，取最大值进行横隔板承载力验算，得横隔板剪力效应值V=97.9 kN<119.1 kN，满足规范要求。部分计算结果如表3、表4所示。

表3 部分墩底截面静力计算结果

表4 部分桩基最不利截面静力计算结果

(2)桩柱验算。桥梁桩柱在温度和收缩徐变作用下会发生一定的偏位，设置纵向限位挡块后梁体变形会对下部结构桩柱产生水平力。本桥一联为120 m，以一联中间位置作为温度零点，综合考虑整体升降温和收缩徐变的作用，取不利组合进行包络验算。伸缩缝处梁体变形引起的桥墩墩顶偏位按2 cm计，根据前述桩柱验算结果，选取该桥右幅4#、5#、6#和8#较为不利的桩柱分别建立桩柱模型来计算相应的水平力值。

由以上验算可知，在温度荷载和收缩徐变作用下，墩底处纵桥向截面和桩基最不利处纵桥向截面验算抗压、抗弯承载力和裂缝宽度均满足规范要求。

综合上述分析，本文得出以下结论：

(1)根据桥梁的变位情况、纵坡、行车方向等分析，桥梁梁体滑移与纵坡大小、行车方向不存在必然的规律性，该桥梁体滑移应是多种因素叠加引起的结果。

(2)通过建立有限元模型，进行梁体滑移后桥梁上下部结构受力验算，根据静力计算结果，梁体滑移后产生的附加弯矩对于下部结构的作用仍能满足规范抗弯和抗压承载力的要求。

(3)本文对于桥梁出现病害的位置，分析病害产生的原因，提出增设调平钢板和限位挡块等切实可行的处治措施，并通过Midas建立有限元模型对加固后的梁体横隔板和桥墩桩柱的承载力和裂缝宽度进行验算，计算结果均满足规范要求，从而保证桥梁安全运营，为今后桥梁出现类似病害提供参考依据。

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