曲线梁桥的受力与病害及其治理方案

　　摘    要：　以某曲线梁桥的病害为背景，阐述曲线梁桥的受力特点及常见病害，通过建立有限元模型，分析作用于桥梁各种荷载对曲线梁桥的受力情况，分析结果与实桥病害基本一致；根据分析结果，提出实桥病害的加固方案，并为曲线梁桥的设计提出建议。

　　关键词：　曲线梁桥; 扭矩; 支座脱空; 梁体爬行; 加固方案;

　　在现代桥梁工程中，特别是在立交枢纽工程、高架桥工程及山区高速公路中，桥梁设计需服从路线基本走向要求，不可避免地要采用曲线桥梁。由于曲线桥在平面外形上的特性，使曲线桥的质量重心通常是位于杆轴线两端连线之外，这就造成即便杆件只承受自重荷载，结构除产生弯矩外，还会产生扭矩[1]，曲线梁桥的受力特点为弯扭耦合。由于曲线桥受力状态为弯曲与扭转耦合存在，使得曲线桥常见病害为曲线内侧支座脱空、梁端侧向爬行[2]。以下结合一曲线桥梁的支座脱空、梁体横向爬行病害实例，分析曲线梁桥的受力特点，总结病害原因，提出处治措施及曲线梁桥的设计建议。
 

　　1、 案例概况

　　某高速公路匝道桥如图1所示，平面处在R=55 m的圆曲线范围内，桥跨组合为(18+4×20+18)m，上部结构为现浇预应力砼连续空心板梁，空心板梁高1.2 m，顶宽9.0 m、底宽4.5 m，采用40#混凝土；下部结构为钢筋混凝土实心单柱式、双柱式墩，钢筋混凝土钻孔灌注单排桩基础；钢筋混凝土肋式台，钢筋混凝土钻孔灌注单排桩。采用球型支座，支座布置为0号、3号、6号支点为双支座，支座横向间距0号为3.9 m,3号、6号为3.25 m；其余为单支座，支座布置于梁中心线向曲线外侧预偏心的20 cm处。

　　图1 匝道桥桥型及结构断面及支撑示意(单位:m)

　　主要病害为0号台、6号墩支座滑移，滑移量逐年增大，即梁端侧向爬行(表现为伸缩缝出现上下错位，如图2所示)，同时0号台和6号墩上曲线内侧支座出现脱空。

　　图2 伸缩缝处标线错位

　　2、 受力及病害分析

　　2.1、 受力分析

　　曲线桥梁的特点是空间受力，其平面弯曲对弯矩和剪力的影响不大，但对扭矩有较大的影响。曲线桥梁所承受的荷载，包括恒载、预应力荷载、活载、温度荷载等均能产生扭矩(图3)，扭矩由跨间传向支点，如果中间设独柱墩，则扭矩传递到相邻跨。

　　图3 曲线梁桥扭矩示意

　　案例桥梁采用MIDAS空间程序进行计算，以支座脱空及梁端侧向爬行病害最为严重的6号墩作为研究对象，分三个工况分别计算各个荷载单项及荷载组合在6号墩处梁端的扭矩、剪力及支反力结果,其计算见表1～3。

　　工况一:单支点支撑于空心板中心线，双支点0号墩间距3.9 m,3号、6号间距3.25 m;

　　工况二:原设计工况，即单支点向曲线侧偏移20 cm，其余与工况一同；

　　工况三:6号双支点的曲线外侧支点外移0.5 m，其余与工况一同。

　　表1 工况一计算结果

　　表2 工况二计算结果

　　表3 工况三计算结果

　　综合表1～3，可得出如下结果:

　　⑴在原设计状态即工况二，6号墩内弧侧支点荷载最小组合值为负反力，表现为夏季白昼午后高温时期出现支座脱空现象，与检测报告及现场观测结果相吻合。

　　⑵引起曲线桥梁内弧侧支座产生负反力的荷载主要是结构自重、预应力二次矩、截面竖向梯度升温及汽车的偏载作用。

　　⑶单支点设置预偏心、双支点外弧侧支点外移，都可以降低内弧侧支点的负反力，但是单支点设置预偏心仅对自重及汽车偏载有效果，对预应力二次矩、截面竖向梯度升温两种荷载基本无效，而外弧侧支点外移对4种荷载均有降低负反力的效应。

　　⑷根据梁端分离体受力平衡及表1～3，引入e1、e2参数，对于单项荷载可得到方程如下:

　　式中:T为梁端扭，Q为梁端剪力，F1、F2分别为曲线内外支点反力，e1、e2分别为曲线内、外支点至梁中心线距离。

　　对于给定的桥梁结构及运营使用状况，梁端的扭矩T和剪力Q可近似看成定值，根据式(1)及式(2)，要使曲线内侧支反力F1不出现负反力，调整支座中心线至梁中心线距离是行之有效的方法。

　　2.2、 病害分析

　　造成曲线桥的侧向爬行病害的原因主要有:汽车荷载和支座脱空。汽车在曲线桥上行驶过程产生的离心力使桥梁承受向曲线外侧的径向力。物体的热胀冷缩使曲线桥梁在夏天升温时向外侧移动，冬天降温时向内侧移动；因扭矩作用下，有向曲线外侧扭转的趋势，使得墩顶有向外侧的转角，当转角大到一定程度，即出现曲线内侧支座脱空，按设计支座安装要求其顶面应为水平的，如梁体扭转引起支座脱空，按本案例脱空3 cm、支座间距3.25 m计，使得受压支座顶面的向曲线外侧倾斜度在不考虑支座压缩情况下增量接近1%，在重力作用下，向下移动容易，向上移动困难，与汽车荷载的径向力叠加，长期运营后就造成向曲线外侧的爬行。

　　3、 加固方案及加固效果

　　根据对曲线桥梁的受力分析，其加固方案采用加长端横梁外侧的长度，将联端的外弧侧支座外移。6号墩加固措施为曲线外侧支座距箱中心线e20=1.625 m，往外侧移动0.8 m，检测报告梁体向外爬行9.5 cm，外侧支座调整后距箱中心线为e2=2.33 m；内侧支座未调整，距箱中心线为e1=1.72 m，并增设横向限位挡块。通过计算得到内弧侧支座组合最小支反力为230 kN，支座承受压力，不脱空；从后期运营情况看，梁体的爬行未出现增量。

　　4、 结论

　　曲线梁桥因受力特点为弯扭耦合，这就决定曲线梁桥的常见病害为内弧侧支座脱空及梁体横向爬行。经分析，内弧侧支座脱空会加剧梁体的横向爬行，故在曲线梁桥的旧桥病害处治或新桥的设计中，保证内弧侧支座不脱空是减少桥梁病害产生的关键。

　　引起内弧侧支座脱空的荷载类型有结构自重、预应力二次矩、截面竖向梯度升温和汽车荷载4种，单支撑设置预偏心只能抵消结构自重和汽车荷载产生的扭矩，双支点间距的调整则对4种荷载产生的扭矩均可抵消，在曲线梁桥设计时，若条件允许宜按双支点设计。

　　超静定结构曲线梁桥的预应力二次矩是引起内弧侧支座脱空的因素之一，设计时宜合理设计预应力布束，预应力布置不宜过强。

　　参考文献

　　[1] 杨昀，周列茅，周勇军.弯桥与高墩[M].北京:人民交通出版社，2011.
　　[2] 项海帆,等.高等桥梁结构理论[M].北京:人民交通出版社，2013.