預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁側(cè)向位移的產(chǎn)生原因分析與控制

楊 運(yùn) 鵬， 文 平， 王 國(guó) 棟， 王 抗

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

環(huán)高明湖經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)PPP項(xiàng)目位于四川省通江縣，為綜合性市政工程，包括19條市政道路，總里程為15.83 km，其中橋梁11座；濕地公園和生態(tài)公園各一座，總占地面積達(dá)2 700畝(1 hm2=15畝)。筆者以該項(xiàng)目所含的市政道路中混凝土連續(xù)彎箱箱梁為研究對(duì)象，結(jié)合以往工程實(shí)例中發(fā)生的側(cè)向位移病害進(jìn)行了分析與研究，總結(jié)出一些限制彎箱梁橋發(fā)生側(cè)向位移的經(jīng)驗(yàn)措施，旨在今后類似工程中推廣應(yīng)用，減小此類橋梁工程病害的發(fā)生。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁的側(cè)向位移

彎箱梁橋設(shè)計(jì)時(shí)常采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁。但在實(shí)際施工和建成后的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，彎箱梁梁體往往會(huì)出現(xiàn)側(cè)向位移[1](爬移)、梁體扭轉(zhuǎn)、橋墩開(kāi)裂[2]甚至梁體傾覆等質(zhì)量安全事故，其中側(cè)向位移造成的事故機(jī)率占大多數(shù)。

多重外界因素影響下會(huì)有橫橋方向的側(cè)向位移發(fā)生，例如彎箱梁的預(yù)加應(yīng)力、車輛行駛時(shí)的離心力、晝夜溫差等因素的綜合作用。如果梁體產(chǎn)生側(cè)向位移，且發(fā)生的位移量不能完全得到恢復(fù)，日積月累會(huì)產(chǎn)生較大的側(cè)向位移，該過(guò)程即為爬移現(xiàn)象的產(chǎn)生過(guò)程。

此外，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)對(duì)影響側(cè)向位移的因素考慮不充分，彎箱梁梁體就會(huì)出現(xiàn)側(cè)向的滑移，滑移程度較輕的會(huì)引起梁端伸縮縫破壞，程度嚴(yán)重的會(huì)引起梁體翻轉(zhuǎn)傾覆而造成質(zhì)量安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。

3 導(dǎo)致側(cè)向位移的主要影響因素

3.1 支座布置形式的影響

支座的布置形式可以從兩方面進(jìn)行調(diào)整：①對(duì)支座類型進(jìn)行調(diào)整；②對(duì)支座間距進(jìn)行調(diào)整。

彎箱梁使用的支座類型有單向滑動(dòng)支座、雙向滑動(dòng)支座、固定支座三種類型。支座類型的選擇雖然對(duì)豎向支反力沒(méi)有太大的影響，但對(duì)水平方向的支反力卻有著較大的影響，水平方向的支反力是制約梁體側(cè)向位移的關(guān)鍵因素，因此，選擇正確的支座應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算(圖1)。

圖1 變更支座形式對(duì)徑向位移的影響示意圖

對(duì)支座間距進(jìn)行調(diào)整會(huì)影響到支座的豎向支反力，減小支座間距會(huì)使內(nèi)外側(cè)支座豎向支反力趨于相等；增大支座間距則會(huì)使內(nèi)外側(cè)支座的豎向支反力差值變大，其外側(cè)支座變?yōu)橹饕芰c(diǎn)，致使內(nèi)外側(cè)支座受力不均、側(cè)向位移量亦將加速產(chǎn)生，從而導(dǎo)致梁體的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)壽命。

3.2 恒荷載作用的影響

對(duì)于彎箱梁而言，雖然橫截面對(duì)于中心線而言是左右對(duì)稱，但是梁體的重心位置對(duì)于梁體的中心位置卻有一定的偏移。由于彎箱梁的頂面形式和扇環(huán)類似，我們?nèi)∫欢魏穸染鶆虻纳拳h(huán)(圖2)，其截面形心即為其剪力中心，該剪力中心的半徑為R0,橋面寬度為B。由偏心距公式e=-B2/12R0可以得出以下結(jié)論：彎箱梁的重心偏心距與梁截面形式和曲率半徑有關(guān)，彎箱梁梁體有向外傾覆的趨勢(shì)，因此，在布置支座形式時(shí)必須考慮在彎箱梁外側(cè)設(shè)置一定的預(yù)偏心，進(jìn)而改善支座支反力和梁體扭矩的分布形式。

3.3 彎箱梁曲率半徑的影響

由于彎箱梁的曲率半徑對(duì)梁體側(cè)向位移具有重要的影響，因此，不同的曲率半徑對(duì)梁體的影響亦不同。如果曲率半徑增大，內(nèi)外側(cè)支座的支反力則趨于相近，當(dāng)曲率半徑趨于無(wú)窮大時(shí)，彎箱梁橋即變?yōu)橹本€橋，其內(nèi)外側(cè)的支座支反力變?yōu)橄嗟取Ｔ诓煌拾霃较?，特別是梁端支座豎向支反力的變化范圍要比中間支座支反力的變化大的多；反之，梁體的曲率半徑越小，梁體內(nèi)側(cè)支座的豎向支反力越敏感，梁體的扭轉(zhuǎn)就越明顯，彎箱梁向外側(cè)的側(cè)向位移亦越大，以上變化以邊跨及梁端的變化最為明顯。

圖2 扇環(huán)示意圖

3.4 溫度效應(yīng)的影響

溫度效應(yīng)引起梁體側(cè)向位移的原因有兩種，筆者對(duì)其進(jìn)行分析如下：

第一種是由溫度梯度[3](日照溫差)引起的。梁體受到太陽(yáng)照射后，向陽(yáng)面的溫度變化幅度較大，而背陽(yáng)面的溫度變化幅度則較小，而且沿梁體高度各個(gè)層面的溫度亦不相同，從而產(chǎn)生橫向、豎向的溫度梯度。由于結(jié)構(gòu)材料具有熱脹冷縮的性

圖3 梁體箱型截面在日照溫差下的變形形式圖

質(zhì)，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生溫度形變，對(duì)于截面閉合的彎箱梁梁體在橫截面上就會(huì)產(chǎn)生出如圖3所示的變形形式。溫度梯度會(huì)使梁體支座在平面內(nèi)產(chǎn)生方向相反的支反力。彎箱梁在日照溫差作用下，梁曲率半徑越大，梁體越會(huì)表現(xiàn)出縱橋向的變形；梁曲率半徑越小，梁體越會(huì)表現(xiàn)出橫橋向或豎向的變形特征。

第二種是由體系溫差(季節(jié)溫差)引起的。彎箱梁梁體在體系溫差作用下，各單項(xiàng)活動(dòng)支座和固定支座將會(huì)承受一定平面內(nèi)的支反力，特別是梁端單項(xiàng)支座承受的橫向推力較大。在體系溫差大小不同的情況下，支座豎向支反力和徑向支反力的大小不同，體系溫差越大，支反力越大，且支反力的大小與體系溫差呈線性變化，進(jìn)而引起梁體側(cè)向位移越大。

3.5 動(dòng)荷載作用的影響

在分析車輛在橋面上行駛時(shí)力的作用時(shí)，參照集中力的形式可知施加在車輪著地點(diǎn)的力對(duì)梁體產(chǎn)生豎向荷載(車輛自重)和水平離心力荷載，剎車時(shí)還會(huì)有切向力(制動(dòng)力)[4]。如果車輛行駛處于梁體邊緣則會(huì)使梁體產(chǎn)生偏心受力，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致梁體發(fā)生側(cè)移。高速行駛車輛帶來(lái)的離心力不僅會(huì)引起梁體的側(cè)向位移，還會(huì)引起梁體伸縮縫的剪切破壞和端部支座破壞。高速車輛行駛過(guò)后，梁體的側(cè)向位移在支座摩擦力影響下并不能夠完全恢復(fù)，會(huì)產(chǎn)生橫橋方向上的殘余位移，當(dāng)殘余位移長(zhǎng)時(shí)間疊加后就會(huì)產(chǎn)生梁體的側(cè)向位移，即爬移現(xiàn)象會(huì)愈加嚴(yán)重。

3.6 梁體預(yù)應(yīng)力的影響

預(yù)應(yīng)力鋼束的布置形式不同、預(yù)應(yīng)力對(duì)彎箱梁梁體的作用形式及作用位置不同，所產(chǎn)生的支座反力和扭轉(zhuǎn)形式也會(huì)有所不同[5]。由于彎箱梁梁體本身存在曲率，所以，預(yù)應(yīng)力鋼束在梁體內(nèi)存在雙向曲率。預(yù)應(yīng)力可以分解為豎向分力和水平向分力，兩種分力分別會(huì)帶來(lái)梁體起拱和梁體的側(cè)向位移，而起拱則會(huì)使梁體的內(nèi)側(cè)支座脫空、產(chǎn)生梁體扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。對(duì)于梁體而言，曲率半徑越小，水平方向分力的作用效果就越明顯，由于彎箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束空間上存在雙向曲率，既使在梁體截面對(duì)稱位置同時(shí)張拉且張拉力相同，仍然會(huì)有水平方向上的分力，而且還會(huì)產(chǎn)生側(cè)向位移。如果按照不規(guī)范的張拉順序進(jìn)行張拉，梁體的側(cè)向位移將會(huì)更大。

4 彎箱梁橋側(cè)向位移的限位措施

側(cè)向限位措施是防止彎箱梁發(fā)生“爬移”現(xiàn)象的預(yù)防措施，采取限位措施的目的包括：避免彎箱梁出現(xiàn)拉反力，即避免支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象；避免支座橫向推力過(guò)大；盡量使彎箱梁梁體與橋墩、橋臺(tái)在平面內(nèi)的變形趨于協(xié)調(diào)，以避免彎箱梁扭轉(zhuǎn)變形過(guò)大。該工程施工中主要是通過(guò)改善彎梁箱自身構(gòu)造達(dá)到限位目的的，其采取的主要措施有：

(1)采用盆式橡膠支座。盆式橡膠支座是由鋼構(gòu)件和橡膠組合而成的新型橋梁支座，具有承載力大、水平位移量大、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活等特點(diǎn)，能夠更好地協(xié)調(diào)梁體與橋墩之間的變形；

(2)鑒于橋墩墩身較高，應(yīng)盡可能地多使用單向活動(dòng)支座和固定支座。由于橋墩較高，橋墩自身的柔度可以很好地適應(yīng)梁體的變形，使梁體和橋墩達(dá)到共同變形。因此，單向活動(dòng)支座和固定支座可以使彎箱梁在平面內(nèi)的變形受到支座和橋墩的約束，利用橋墩的平面抗推剛度來(lái)降低梁體在平面內(nèi)的變形；

(3)減小下部結(jié)構(gòu)的抗推剛度。減小橋墩的抗推剛度也就是增加了橋墩的柔度，而橋墩自身的柔度可以很好地適應(yīng)梁體的變形，從而使梁體和橋墩達(dá)到共同變形；

(4)設(shè)置彈性側(cè)向支撐。即利用彈性支撐代替下部結(jié)構(gòu)的柔度，這樣實(shí)施不僅能夠減小梁端的支反力，還能夠使順橋向各墩臺(tái)的剛度協(xié)調(diào)，從而減小彎梁的側(cè)向位移；

(5)改變梁端支座的橫向布置。其一般做法是加大端部雙支座的間距。梁體寬度不夠時(shí)，則考慮向外側(cè)增加梁體，再將支座向外側(cè)進(jìn)行偏移，這種設(shè)置可以很好地改善支反力，并能增強(qiáng)梁體的抗扭性能；

(6)改變預(yù)應(yīng)力鋼束的布置形式。由于配置在底板的預(yù)應(yīng)力鋼束遠(yuǎn)多于配置在頂板處的鋼束，即彎箱梁向外側(cè)扭轉(zhuǎn)的扭矩要大于向內(nèi)側(cè)扭轉(zhuǎn)的扭矩，故在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁中適當(dāng)?shù)嘏渲昧艘恍╉敯孱A(yù)應(yīng)力鋼束以改善梁體的扭轉(zhuǎn)變形并減小內(nèi)側(cè)支座的拉反力。

5 結(jié) 語(yǔ)

該項(xiàng)目實(shí)施的兩座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁目前正處于實(shí)施階段，施工中在采取了上述側(cè)向限位措施后取得了一定成效。但彎箱梁側(cè)向位移的發(fā)生需要經(jīng)歷十分緩慢的過(guò)程，因此，有必要待工程完工后再及時(shí)布置觀測(cè)儀持續(xù)跟蹤觀測(cè)，對(duì)橋梁側(cè)向位移進(jìn)行系統(tǒng)的研究，充分分析與其相關(guān)聯(lián)的因素，進(jìn)一步完善上述采用的預(yù)防措施，將會(huì)取得更好的效果。