連續梁橋非連續墩偏移病害機理與防治

楊繼承， 李春軒， 魏家樂

（陜西通宇公路研究所有限公司，西安 710118）

0 引言

梁橋作為橋梁結構四大基本橋型之一，因其結構受力明確、施工簡單、經濟性和耐久性好一直深受廣大橋梁建設者的青睞，目前梁橋已成為在役橋梁中數量最多、區域分布范圍最廣的橋型[1-3]。

近年來，陜西、遼寧、浙江、重慶、安徽等地多座高墩大縱坡梁橋建成數年后出現非連續墩墩頂異常偏位和支座滑移的現象，且存在相同的病害規律，國內外諸多學者在該問題上展開了研究。田世清等[4]通過對施工現場的盆式支座安裝缺陷和墩柱偏移病害的調查分析，揭示了連續梁橋交接墩嚴重偏移病害的原因。王景山等[5]以某高速公路大橋非連續墩墩柱傾斜為例，概述其病害成因，結合維修加固工程實踐，闡述采用多跨徑整體同步頂升梁體并利用上部結構作為反力架對橋墩進行糾偏的技術。曾勇等[6]結合實橋工程實例，開展了連續梁橋橋墩糾偏頂推受力研究。祝小龍等[7]從變形監測、巖土勘察、三維仿真、橋梁檢測、結構分析等五個方面對某高架橋的橋墩偏移進行研究。文獻[8]、[9]針對水中樁基病害導致墩柱傾斜，提出相應的處治措施。

國內外學者對這一現象做了大量的研究工作，取得了一定的成果，這些成果主要為病害原因的定性分析和糾偏的施工技術，文中結合前人的研究成果，以遼寧境內某大橋為工程背景，通過對病害成因機理和產生條件理論推導，將定性分析和定量比較相結合，進一步總結病害產生的因素，針對性的提出病害處理方法和預防性對策，并用于指導實踐。

1 工程背景

遼寧境內某高速公路大橋右幅全長286m，跨徑組合為（4×30+5×30）m，橋面凈寬10.5m，設計縱坡2.5%，橋梁設計荷載為公路I級。上部結構采用5片裝配式預應力混凝土T梁，梁間橫向間距2.4m，梁高2m，施工方法采用先簡支后連續。下部結構橋墩采用樁柱式橋墩，墩柱直徑1.6m，樁徑1.8m，墩柱高從17.1～28.2m不等，0#和9#橋臺采用重力式橋臺，擴大基礎，橋型布置如圖1所示。橋2#、3#、5#、6#、7#墩為墩梁固結，4#墩為非連續墩，墩頂縱向設置兩排盆式橡膠支座。

圖1 橋型布置圖（單位：m）

橋2014年正式通車，根據交工驗收資料，成橋時各非連續墩豎直度偏差均在10mm以內。2018年定期檢測時發現4#墩兩個墩柱均向上坡方向偏移，偏移值均在250mm左右，墩柱下坡側在地面上6m范圍內出現多條環狀裂縫，寬度0.2～0.5mm，深度7～10cm，長度約1/2～3/4周長?；貜椃▽崪y墩柱混凝土強度大于40MPa，滿足設計規范要求。4#墩墩頂支座上鋼板縱向相對支座中心線滑移235～270mm不等，并出現多條間距相等滑移痕跡線，支座頂鋼板外露出橋墩蓋梁頂邊緣，支座呈現局部受壓，開裂和嚴重變形，已經完全失效。支座頂鋼板與梁底預埋鋼板均開焊。

2 病害成因分析

結合力學基本理論，文中對梁橋的關鍵受力部件梁底楔形塊受力狀態展開研究，分別考慮了楔形塊正常工作和非正常工作兩種受力模式，分析非連續墩墩頂偏移產生機理，并從理論上推導墩頂偏移的產生條件，以為實際工程服務提供基礎依據。

2.1 溫度交替作用楔形塊受力機理

正常使用的多跨大縱坡連續梁橋一般在梁底支座位置設置楔形塊將其調平，以保證溫度外荷載作用下支座受力均勻，梁體水平方向變形自由。如圖2所示，縱坡i%的橋梁（主梁與水平面夾角為θ1），梁底楔形塊底面完全水平，并與支座緊密接觸。設楔形塊所承受的梁體重力均為G，支座對楔形塊的支撐反力為N，滑動支座摩擦力為F，溫度荷載水平作用力為T。

圖2 楔形塊正常受力狀態

以楔形塊為研究對象，按照靜力平衡條件得豎向力G=N，水平力T=F。

當達到最大靜摩擦力時，支座與楔形塊之間產生滑動后，水平力T減小，與靜摩擦力F達到新的平衡。橋梁正常運行狀態下，楔形塊（梁端）隨著溫度荷載做水平可逆的往復運動。

實際橋梁中，由于施工誤差，楔形塊底面不能有效調平，梁體伸縮變形受支座約束不能自由滑動。為討論方便，假設楔形塊底面與主梁縱坡夾角均為θ2，則溫度荷載作用下受力狀態見圖3。

圖3 楔形塊未調平受力狀態

在升溫荷載工況下，當梁體與支座未發生滑移，A梁和B梁與支座的靜摩擦力分別為F1和F2，以A梁楔形塊和B梁楔形塊為研究對象，按照靜力平衡條件可得：

升溫初期，靜摩擦力、重力和溫度作用力三者形成自平衡狀態，隨著溫度荷載T繼續加大，A梁F1將首先達到首先達到F1max，楔形塊與支座滑移，T1和F1均減小，非連續墩所受的合力為F增大，方向往上坡方向，橋墩將往上坡方向偏移，T2和F2隨之減小，直到達到新的平衡。繼續升溫過程將重復上述過程，橋墩繼續向上坡方向產生偏移。

同理，采用上述方法分析降溫工況，按靜力平衡條件可得：

根據式（4）、式（5）可知，降溫狀態下B梁將首先達到F2max，楔形塊與支座滑移，T2和F2均減小，非連續墩所受合力指向A梁回縮方向，帶動橋墩將往上坡方向偏移，T1和F1隨之減小，直到達到新的平衡。由此可見，不管是升溫還是降溫荷載工況，梁底楔形塊不平整都會導致非連續墩往上坡方向偏移。

橋梁建成后，結構溫度隨冬夏季節溫差交替作用，非連續墩的位移量與支座的相對滑移量不斷累加，且不可自行恢復，承受豎直軸向荷載的受壓構件逐漸發展為壓彎構件，當發展到一定程度后，橋墩墩底拉應力超過混凝土抗拉強度而開裂，并形成多道環向裂縫。

2.2 其它影響因素分析

當梁底楔形塊未調平時，除上述討論的溫度作用影響外，汽車荷載對非連續墩偏移也產生影響。當汽車荷載在橋面行駛和制動時，對主梁將產生沖擊力和制動力，沖擊力和制動力方向與行駛方向相同，正常受力工況下主梁將通過支座將其傳遞到下部結構。當汽車上坡時，汽車制動力和沖擊力作用下將推動橋墩往上坡方向偏移，墩頂相應產生轉角，支座墊石頂面與楔形塊底面夾角將增大，（θ1-θ2）值增大，支座與梁底接觸面積減小，更容易產生支座滑移，橋墩往上坡方向偏移的現象。相反，當汽車下坡時，汽車制動力和沖擊力作用下將使橋墩往下坡方向偏移，此時，墩頂產生的轉角后，支座墊石頂面與楔形塊底面夾角將減小，（θ1-θ2）值減小，支座與梁底接觸面積增大，不易產生這一現象。因此，受長時間單方向的滑移累計，加劇了非連續墩偏移的系列病害。

當然，支座老化鼓包、受力及變形不均勻、鋼板銹蝕等都可能增大摩擦力，從而導致非連續墩墩頂兩排支座受力不協調，墩頂產生相應方向的偏移病害。

2.3 墩頂偏移產生條件

通過對以上非連續墩正常調平楔形塊和非調平楔形塊受力對比分析，我們不難得出，影響非連續墩病害的直接原因就是梁底楔形塊未有效調平，導致非連續墩墩頂縱向兩排支座不能同時產生滑移。理論上講，如果橋墩為絕對剛性，當作用力超過最大靜摩擦力后，縱向兩排支座都會先后發生滑動，不會產生相應病害。相反，如果橋墩柔性較大，溫度作用力一直小于其中一排支座與楔形塊的最大摩擦力，則不會產生滑移。為此，有必要結合橋墩的實際剛度對這一臨界狀態展開研究。

假設A梁、B梁線膨脹系數為α，A、B梁溫度變形0點至梁端距離分別為LA、LB，非連續墩縱向水平截面抗彎剛度為EI，墩高h。最大升溫工況下，B梁梁端伸長量δ（墩頂位移量）為αΔtLB，B梁與支座達到最大靜摩擦力，A梁與支座產生滑移，靜摩擦力為0；最大降溫工況下，A梁梁端收縮量δ（墩頂位移量）為αΔtLA，A梁與支座達到最大靜摩擦力，B梁與支座產生滑移，靜摩擦力為0。見圖4升溫工況下，墩頂所受的水平力：

圖4 滑動后臨界受力狀態

即非連續墩剛度同時大于式（6）、式（7）時，可保證墩和梁之間同時滑移，將不會產生該類病害。

從式（6）、式（7）可以看出，橋墩水平抗推剛度、橋面縱坡、摩擦系數一定時，控制楔形塊底面與主梁夾角θ2是最有效的辦法。

2.4 依托橋梁病害分析

依托橋梁位于遼寧境內，當地極端最低氣溫-23.3℃，極端最高氣溫33.4℃，平均溫度8℃。據查閱竣工資料，該橋施工形成連續梁階段正處于夏季，運營階段受升溫作用力較小，但大橋受降溫影響作用明顯，極端作用下可達56℃，計算時溫差按照50℃考慮。經現場測量，非連續墩P4上方梁底楔形塊底面縱坡與主梁縱坡基本一致，但墊石頂面均為水平狀態。該橋梁具體參數如下：

按文中式（7）計算：

計算表明，該墩柱不能滿足支座與楔形塊之間的正?；茥l件，現對一年溫度變化引起的主梁變形過程進行理論計算。

最大降溫工況下，此時A梁縮短，受楔形塊限制將帶動P4墩向左發生偏移30mm。B梁支座當達到臨界滑動摩擦力時發生滑動，相對最大滑移量為收縮變形量和墩頂偏移量之和，即30mm+38mm=68mm。當從最低溫度回到初始最高溫度時，B梁與P4墩墩頂支座又不能發生滑移，將推動P4墩繼續左偏移38mm（P4墩累計偏移30mm+38mm=68mm），A梁伸長，并與支座發生滑移，向下坡側滑移量為膨脹變形量和墩頂偏移量之和68mm。從夏季到冬季、從冬季回到夏季一個循環P4墩累計向上坡側偏移68mm，且不可自動恢復，從施工完成到定期檢測第四年時間累計墩頂偏移將達272mm，這一理論分析數值與定期檢測結果250mm基本吻合，進一步印證了墩柱偏移的原因。

3 病害處理方法及預防性對策研究

3.1 病害處理方法

非連續墩異常偏移病害是典型的彎曲破壞形式，成因機理明確，建議根據病害的嚴重程度采用不同的處理方法。若墩柱偏移量較小，墩底裂縫不嚴重且未對結構承載力明顯削弱時，可將其橋墩復位后直接采用外包鋼護筒或粘貼碳纖維進行加固。若墩柱病害嚴重以致不能加以利用時，建議在非連續墩兩側搭設臨時鋼管支架，采用“托梁換柱”的方法對病害墩柱進行替換。同時，建議在運營期間對處理完成后的墩柱建立健康監測系統，持續關注該處伸縮縫、支座位移和墩柱偏移狀態，確保橋梁結構安全可靠[10，11]。

3.2 預防性對策

高墩大縱坡非連續墩偏移病害處理不僅需較長時間中斷交通，還需承擔較大的工程費用，對工程的管養帶來沉重的負擔。因此，十分有必要在設計及施工階段提出相應措施，以避免該類現象的發生。

（1）提高梁底楔形塊角度控制精度。JTG/T 3650-2020《公路橋涵施工規范》僅規定斷面尺寸的頂、底、腹板允許最大誤差為+5mm，對梁底楔形塊尺寸并未單獨要求。參照30m跨徑T梁通用圖，預制梁楔形塊縱向尺寸為540mm，若按照上述允許施工誤差+5mm計算，正常施工情況下引起縱坡偏差為0.9%。DB 61/T1440-2021《公路預應力混凝土連續剛構橋施工技術規范》規定楔形塊底面縱坡不應大于0.5%。根據現場實測發現，梁底楔形塊底面縱坡遠大于設計規定值，不能保證楔形塊底面與支座良好接觸。因此，施工過程中必須加強梁底楔形塊施工精度的控制，從根源上避免該類現象的發生。

（2）非連續墩墩頂選用摩擦系數小的球形支座。采用盆式橡膠支座時，當結構出現偏差時容易產生橡膠不均勻擠壓，支座狀態易發生異常，既對結構受力狀態產生不利影響，又對橡膠耐久性產生不利影響。而球型支座通過球面傳力，不會出現力的縮頸現象，作用在混凝土上的反力比較均勻；同時，球形支座通過球面聚四氟乙烯板的滑動來實現支座的轉動過程，轉動力矩小，而且轉動力矩只與支座球面半徑及聚四氟乙烯板的摩擦系數有關，與支座轉角大小無關。因此，非連續墩墩頂選用摩擦系數小的球形支座對結構的整體受力更為有利。

（3）大縱坡高墩橋梁增設縱向限位裝置。為防止橋梁運營階段因施工誤差引起墩柱產生水平位移不斷積累而危及橋梁安全，設計中建議在非連續墩墩頂增設縱向限位擋塊、主梁間縱向連接拉桿、橋墩與主梁間限位裝置等。在保證伸縮縫的工作的同時，也避免產生影響橋墩安全的較大水平位移。

（4）適當增大非連續墩抗推剛度。適當增大非連續墩的抗推剛度可增強抵抗水平變形的能力，減小墩頂的水平位移，達到減緩楔形塊施工誤差帶來的不利影響，保證在役橋梁的安全。

4 效果分析

工程按照“托梁換柱”的方法對P4墩柱重新施工，同時采用相同型號的盆式支座更換原有損壞支座，重新對梁底楔形塊底面進行調平，并增設了橋墩與主梁之間的限位裝置。目前，該橋加固后已運行超過3年，未再次發現該類病害。正確的病害處治設計和現場的精細化施工，有效地解決了高墩大縱坡梁橋偏移病害的系列問題。

5 結語

文中結合實際工程，對連續梁橋非連續墩異常偏移病害成因機理展開研究，推導了墩柱偏移產生的條件，并針對性提出了病害的具體處理方法和預防性對策，并得出如下具體結論：

（1）高墩大縱坡梁橋運營過程中出現非連續墩墩頂往上坡方向偏移、支座上下鋼板相互滑移、墩底環狀裂縫的直接原因是梁底楔形塊底面未有效調平，導致溫度作用下非連續墩墩頂兩排支座不能同時自由滑動。汽車制動力和沖擊力、支座老化、局部變形等會加劇這一病害的發展。

（2）從產生病害的機理出發，影響非連續墩病害的因素有非連續墩水平抗推剛度、摩擦系數、主梁縱坡、梁底楔形塊底面與縱坡夾角、支座所受的垂直反力、溫度作用下梁端變化量等。提出主動控制的最有效措施是控制楔形塊底面角度誤差。

（3）根據非連續墩病害程度提出了兩種加固處理方法，對病害較輕且承載力未顯著降低的墩柱建議采用外包鋼護筒或粘貼碳纖維布進行覆蓋，對墩柱病害嚴重不能加以利用時采用“托梁換柱”的方法進行替換。同時建議在運營期間對處理后的墩柱建立健康監測系統，確保橋梁結構安全可靠。

（4）針對高墩大跨非連續墩的這類病害，提出了加強梁底楔形塊精度控制、采用摩擦系數較小的球形支座、增設限位裝置和適當增強非連續墩抗推剛度等多種預防性措施，避免該類現象的發生。