山区高速公路单向纵坡箱梁桥梁体纵向滑移分析

单积明，蔡 飒，伍 静

(1.北京市建设工程质量第三检测所有限责任公司， 北京 100037;2.深圳高速工程检测有限公司， 广东 深圳 518000)

山区高速公路单向纵坡箱梁桥梁体纵向滑移分析

单积明1，蔡 飒2，伍 静1

(1.北京市建设工程质量第三检测所有限责任公司， 北京 100037;2.深圳高速工程检测有限公司， 广东 深圳 518000)

随着我国经济的增长，越来越多的高速公路相继建成通车。特别是一些山区高速公路，由于受到地势条件的限制，多呈纵坡大、展线复杂、区域小气候影响大。近年来，我国山区高速公路互通桥梁相继出现梁体滑移导致伸缩缝挤死，造成桥面出现隆起现象，严重影响行车安全。通过对某高速公路某座互通主线桥伸缩缝挤死导致桥面隆起的现象进行了深入调查，结合施工质量、设计理念对病害产生的原因进行了分析研究，并对病害提出了针对性的维修处治建议。为山区高速公路互通立交桥梁的设计、施工、养护工作有一定的指导意义。

山区高速公路；梁体滑移；伸缩缝；抵死

某互通桥梁位于某高速公路，由主线桥和A、B、C、D四个匝道共五部分组成。其中主线桥分左右两幅，全长670 m，上部结构均采用30 m现浇预应力混凝土连续箱梁。桥梁具体信息见表1。

主桥单幅标准桥宽为15.50 m(含3.75 m辅助车道)，横断面为带翼缘多箱室型，翼缘板宽2.5 m；梁体高度为1.80 m。匝道桥A、D匝道桥宽为12 m，B、C匝道桥宽10 m，翼缘板均宽2.5 m，梁体高度为1.80 m。中跨梁体支点处3 m范围内为实心段梁体，作为隐形盖梁。分联墩处和桥台处边跨梁体1.47 m范围内为实心段梁体，作为端盖梁。

主桥下部结构采用圆柱形墩。当墩高大于20 m时，从桩顶起每隔15 m设置一道横系梁。在分联墩(伸缩缝处)墩顶设置直径为2.2 m圆形墩帽，以便安装双支座。

匝道桥下部结构中墩采用独柱桥墩，A、D匝道桥分联墩采用与主线桥相同的双柱式带帽的圆形墩；B、C匝道桥分联墩采用2.0 m×2.5 m哑铃型实体薄壁墩，每联设置一个固结墩，桥梁立面、平面见图1、图2。

表1 桥梁信息

注：A匝道桥2#、6#、9#墩为固结墩；B匝道2#、6#、9#墩为固结墩；C匝道2#、5#墩为固结墩；D匝道中2#、6#、9#墩为固结墩。

图1 桥梁立面图

图2 桥梁平面照

在定期检查中发现：

(1) 全桥伸缩缝间距普遍偏小，主线桥左幅与匝道桥结合处1#伸缩缝抵死且锚固区混凝土存在明显的隆起现象、伸缩缝处两侧防撞墙沿高度方向均有切除痕迹[1]，见图3、图4。

(2) 全桥支座均存在不同程度滑移[1]，其中滑移量大于5 cm的有10处(最大滑移为12 cm)，且个别支座上、下钢板间有钢筋焊接，限制支座滑移性能，使之不能参与到梁体受荷载引起的变形中，进而改变桥梁结构，形成固结体系，具体见图5、图6。

图3 右幅1#伸缩缝现浇带破损露筋

图4 右幅1#伸缩缝拱起且伸缩缝抵死

图5 支座纵向滑移9.5 cm

图6 支座限制位移

(3) 伸缩缝处梁体间距均小于6 cm设计间距[2]，其最小间距为0.3 cm，大部分位于2 cm～4 cm之间(检测时为夏季高温季节)，具体见图7、图8。

图7 梁体间距0.3 cm(伸缩缝抵死处)

图8 梁体间距3 cm

1 理论计算分析

1.1 伸缩缝伸缩量计算

查阅竣工图，桥梁设计均采用SSFB-80浅埋式伸缩装置[3]，选取最长联跨(120 m)对原伸缩缝进行验算。验算规范与原设计“85”规范[4]一致。计算温度选取按竣工资料为准，当地月平均最高温度T1=29.6℃；当地月平均最低温度T1=7.1℃；安装伸缩缝时温度T=17℃。其它参数按规范[5-6]选取，计算结果见表2。

表2 根据“85”规范[4]伸缩缝伸缩量计算表 单位：mm

根据计算，采用SSFB-80伸缩装置的设计闭口量为15 mm，开口设计量为61 mm，则该装置安装时最大预压量为25 mm，最小预压量为21 mm，安装时的安装宽度为97 mm。

根据“04”规范[7]计算，取当地最高有效气温值Tmax=34℃、最低有效气温值Tmin=-3℃。预设安装温度上限值Tset，u=20℃；预设的安装温度下限值Tset，l=10℃；其它参数按规范选取[8]，计算结果见表3。

根据计算结果，联长为120 m的箱梁，建议过渡墩设置D120型伸缩缝，桥台设置D80伸缩缝。

表3 根据“04”规范伸缩缝伸缩量计算结果 单位：mm

1.2 梁体滑移分析

以滑移量较大且伸缩缝及梁端间距较小的主线桥第四联为例进行计算分析[9-11]。总体静力计算根据静力学理论，采用专业结构计算软件MIDAS/Civil建立空间模型[12]。

考虑永久作用荷载、汽车制动力、温度荷载等，分析各种荷载作用下梁体变形情况，为推断和进一步分析病害原因提供理论依据。

根据《公路桥涵设计通用规范》[7](JTG D60-2004)中对制动力的描述，本次在一联计算长度上的制动力按165 kN×2.34(按3个设计车道)=386.1 kN考虑；按整体升温或降温30℃分析(取当地极端温度与安装温度差值验算)；其他作用力按相应规范进行。

(1) 建立模型。计算主梁采用C50混凝土，弹性模量E=3.45×104MPa，重度γ=26 kN/m3；桥墩、系梁采用C30混凝土，弹性模量E=3.00×104MPa，重度γ=26 kN/m3，支座采用弹性连接进行模拟，并输入设计刚度数值。根据规范[13]常温型活动支座摩擦系数取0.03，计算分析在恒载和温度作用下支座的静摩阻力见表4。

初步分析判断，在恒载和温度力共同作用下，沿桥向水平力小于支座静摩阻力，进一步分析判断在制动力作用下，支座是否产生滑移，此时桥面对应作用有3个车道的公路-I级荷载，按最不利考虑，集中荷载均作用在13号墩固定支座上，此时总的静摩阻力见表5。

表4 恒载和温度作用下支反力及支座静摩阻力值

注：①计算结果均为2个支座合计；②13号墩为GP27000GD支座。下表同。

表5 恒载和活载作用下支反力及支座静摩阻力值

由表5计算可知，在各种主要荷载作用下，支座静摩阻力均小于支座容许最大静摩阻力，满足要求。

假定在各主要荷载作用下，沿桥向水平力均小于支座的静摩阻力，计算模型如图9所示。

图9 桥梁计算有限元模型

(2) 分析结果。先验证假定是否成立，各荷载作用下的沿桥向反力见图10、图11。

由图10～图11可知，在温度、恒载、汽车荷载、汽车制动力作用下，各墩底(或支座)承担的水平向推力如表6所示。

图10 汽车制动力荷载作用下水平向反力(单位：kN)

图11 整体升温30℃荷载作用下水平向反力(单位：kN)表6 水平推力与支座摩阻力对比值

注：计算时墩上2个支座一起考虑。

由表6可知，在升温、自重及汽车制动力作用下，11号墩顶产生的推力要大于静摩阻力，此时该支座将产生滑移，修改模型，将该支座产生的摩阻力作为节点荷载，作用方向与制动力方向相反。

(3) 计算各荷载作用下墩顶的水平变化趋势见图12、图13，墩顶位移值见表7。

根据原设计资料和竣工资料查得，原设计梁端理论间距为60 mm，考虑混凝土收缩徐变的影响，按“85”规范[4]计算，4年后梁端间距在安装温度状态下梁端间距应为109 mm，理论上梁端距离不发生顶死现象。因该联墩高(墩高为30 m～47 m)，在上部结构受到温度、恒载、汽车制动力等荷载作用下，桥墩与箱梁在水平方向共同协同变形，部分滑动支座达不到滑移的要求。根据桥墩偏位检测，主线桥墩偏移均在10 mm左右，在各种最不利荷载作用下，最大会产生72.4 mm的梁体水平变形，主要由汽车制动力和整体升温产生，理论上在汽车移开和温度恢复之后梁体是可以恢复变形的[14-15]。

表7 各荷载作用下墩顶水平位移值

图12 整体升温30℃荷载作用下整体变形趋势

图13 汽车制动力荷载作用下整体变形趋势

1.3 墩柱固结分析

因主线桥只有固定支座没有墩梁固结，根据相关专家意见，为彻底解决梁体存在的纵向滑移，建议每联设置类似匝道桥的固结墩；结合原桥施工图和竣工图，选取主线桥第6联验证分析。该联中墩固定支座改造为墩梁固结，固结前、后主梁弯矩见图14、图15、表8。

图14 固结前弯矩包络图(单位：kN·m)

由表8可知，固结前后承载能力均满足规范[4]要求，且固结前后内力相差较小，均在2%范围内。固结前、后主梁应力包络见图16～图19。

图15 固结后弯矩包络图(单位：kN·m)表8 主梁承载能力比较表

图16 固结前主梁梁底最大应力包络图(单位：MPa)

图17 固结后主梁梁底最大应力包络图(单位：MPa)

图18 固结前主梁梁顶最大应力包络图(单位：MPa)

图19 固结后主梁梁顶最大应力包络图(单位：MPa)

由图16～图19可知，固结前、后边梁梁底最大正应力均为-2.1 MPa(压应力)，中梁梁底最大正应力均为-0.7 MPa(压应力)。满足规范[7]要求。固结前、后边梁梁顶最大正应力均为0.4 MPa(拉应力，梁端头不考虑)，中梁梁顶最大正应力均为1.0 MPa(拉应力)。满足预应力混凝土A类构件规范要求。固结前、后桥墩承载能力对比见表9。

表9 桥墩承载能力比对表

注：压应力为负，拉应力为正。

由表9可知，固结前、后桥墩承载能力均满足规范要求，且安全储备较大，钢筋应力均为压应力，说明不会出现裂缝。此外，固结前后内力相差较小，均在10%范围内。

结合第6联验证分析结果，固结前、后桥梁内力差别较小，主梁在2%范围内，桥墩在10%范围内，且桥墩有一定的安全储备。

2 原因分析及加固处治

2.1 伸缩缝

温度、混凝土收缩、徐变、汽车动活载等荷载作用，均会对箱梁产生伸缩或位移变形。造成该桥伸缩缝破坏的原因如下：

(1) 设计存在缺陷，未能充分考虑结构在各个工况下的伸缩变化，选用的伸缩装置规格不尽合理。

(2) 伸缩装置未能根据现场实际温度设置合理的安装宽度，导致在温度变化时，造成伸缩缝开口量过大或闭口量减小，情况严重的地方会造成伸缩缝橡胶条卡死，型钢抵死。

(3) 施工未处理好新、旧混凝土粘合界面，在车辆反复冲击作用下，伸缩缝保护带混凝土出现剥离、破损。

建议对桥台处伸缩缝间距小于2 cm的更换为GQFF-80型伸缩装置，桥墩处伸缩缝间距小于等于2 cm的更换为SCF-120型伸缩装置。

2.2 伸缩缝处梁体间距

桥梁伸缩缝处梁体间距原设计均为6 cm，采用SSFB-80浅埋式伸缩缝装置，梁端间距设置符合原设计规范要求，满足桥梁因温度、车行活载制动、混凝土收缩、徐变等因素引起的梁体伸长或缩短的变形。但实际现浇施工过程中，可能存在立模尺寸不准确，模板固定不到位，模板偏移、胀模鼓肚、漏浆等施工病害，使成桥后的梁体间实际间距不满足原设计宽度要求。

对梁端间距≤2.5 cm的，须进行绳锯切割扩缝处理，伸缩缝两侧梁端各切割梁体4.0 cm，在切割后的断面上须涂刷一层渗透性阻锈剂和环氧胶液，起到加强混凝土保护层的作用，并再次对梁端间距缝隙进行清理。在切割梁端混凝土时，要求对该处伸缩装置处的护栏切割并留够足够的伸缩空间，其间可用沥青麻絮(软木、橡胶等材料)进行填充。

2.3 支 座

施工误差和未设置临时约束或临时约束不到位等因素是造成支座滑移超限的主要原因，同时临时焊接钢筋未及时解除，导致桥梁体系结构有所改变，造成桥梁无法自由伸缩变形，支座滑移存在不规律性。

解除全桥支座上、下钢板临时焊接钢筋。

3 结 论

(1) 针对山区高速公路，在设计阶段需多方位思考，需考虑施工时存在的误差，特别是针对极端天气频发地区的桥梁，必要时需要进行空间分析。

(2) 通过对将固定支座改为墩梁固接后结构的受力分析结果表明，该方法对为彻底解决梁体存在纵向滑移意义不大。

(3) 施工的不规范是导致该桥梁体滑移的主要原因，后期桥梁建设过程中需要加大对施工质量的监管。

(4) 桥梁运营养护过程中应该建立伸缩缝宽度变化信息，在最高温和最低温时对伸缩缝宽度变化进行测量，以便掌握桥梁的位移情况。

[1] 中华人民共和国交通部.公路桥涵养护规范：JTG H11-2004[S].北京：人民交通出版社,2004．

[2] 邵旭东,程翔云,李立峰,等.桥梁设计与计算[M].北京：人民交通出版社,2007．

[3] 中交公路规划设计院.公路桥梁伸缩装置:JT/T 327-2004[S].北京：人民交通出版社,2004．

[4] 交通部公路规划设计院.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTJ 023-85[S].北京：人民交通出版社,1985．

[5] 中华人民共和国交通部工程管理司.公路桥涵设计通用规范：JTJ 021-89[S].北京：人民交通出版社,1989．

[6] 中华人民共和国交通部.公路工程技术标准：JTG B01-2003[S].北京：人民交通出版社,2003．

[7] 中华人民共和国交通部.公路桥涵设计通用规范：JTG D60-2004[S].北京：人民交通出版社,2004．

[8] 中华人民共和国交通部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG D62-2004[S].北京：人民交通出版社,2004．

[9] 邵荣光，夏 淦．混凝土弯梁桥[M]．北京：人民交通出版社，1994．

[10] 范立础.桥梁工程(上册)[M]．北京：人民交通出版社，2003．

[12] 北京迈达斯技术有限公司.Midas Civil 2010分析设计原理[M]．北京：北京迈达斯技术有限公司.

[13] 中交公路规划设计院.公路桥梁盆式支座：JT/T 391-2009[S].北京：人民交通出版社,2009．

[14] 唐先习，周勇超，尹月酉.基于不同横断面形式的桥梁墩台受力性能数值分析[J].水利与建筑工程学报，2015,13(4):12-17．

[15] 陈 敦，陈 彪.竖向地震作用下柱板式高墩桥梁P-Δ效应分析[J].水利与建筑工程学报,2014,12(2):76-79．

Longitudinal Slip Analysis of One-way Longitudinal Box Girder Bridge in Mountainous Highway

SHAN Jiming1, CAI Sa2, WU Jing1

(1.BeijingConstructionEngineeringQualityThirdTestInstituteCO.,Ltd.,Beijing100037,China;2.ShenzhenExpresswayDetectionCo.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong518000,China)

With the economic growth of our country more and more highways have come into service. For some mountain highways, due to the constraints of terrain conditions such as large longitudinal slope, complex layout and regional microclimate impacts. In recent years the bridges in mountainous areas of our country have appeared problems such as the slip of the beam, the expansion joints malfunction and the uplift of the bridge deck. Based on a bridge in a highway interchange line leading to the bridge expansion joint extrusion malfunction, combined with the construction quality, this problem was analyzed, and the problems are proposed according to the recommendations of the maintenance treatment. It is instructive for the design, construction and maintenance of interchange bridge in mountainous expressway.

mountainous expressway; girder slippage; expansion Joint; fight desperately

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.034

2016-12-09

2016-12-30

单积明(1988—)，男(藏族)，甘肃张掖人，工程师，主要从事桥梁检测与加固设计工作。E-mail：coolsxim@yeah.net

U448.21+3

A

1672—1144(2017)02—0176—07