连续梁桥非连续墩偏移病害机理与防治

杨继承， 李春轩， 魏家乐

（陕西通宇公路研究所有限公司，西安 710118）

0 引言

梁桥作为桥梁结构四大基本桥型之一，因其结构受力明确、施工简单、经济性和耐久性好一直深受广大桥梁建设者的青睐，目前梁桥已成为在役桥梁中数量最多、区域分布范围最广的桥型[1-3]。

近年来，陕西、辽宁、浙江、重庆、安徽等地多座高墩大纵坡梁桥建成数年后出现非连续墩墩顶异常偏位和支座滑移的现象，且存在相同的病害规律，国内外诸多学者在该问题上展开了研究。田世清等[4]通过对施工现场的盆式支座安装缺陷和墩柱偏移病害的调查分析，揭示了连续梁桥交接墩严重偏移病害的原因。王景山等[5]以某高速公路大桥非连续墩墩柱倾斜为例，概述其病害成因，结合维修加固工程实践，阐述采用多跨径整体同步顶升梁体并利用上部结构作为反力架对桥墩进行纠偏的技术。曾勇等[6]结合实桥工程实例，开展了连续梁桥桥墩纠偏顶推受力研究。祝小龙等[7]从变形监测、岩土勘察、三维仿真、桥梁检测、结构分析等五个方面对某高架桥的桥墩偏移进行研究。文献[8]、[9]针对水中桩基病害导致墩柱倾斜，提出相应的处治措施。

国内外学者对这一现象做了大量的研究工作，取得了一定的成果，这些成果主要为病害原因的定性分析和纠偏的施工技术，文中结合前人的研究成果，以辽宁境内某大桥为工程背景，通过对病害成因机理和产生条件理论推导，将定性分析和定量比较相结合，进一步总结病害产生的因素，针对性的提出病害处理方法和预防性对策，并用于指导实践。

1 工程背景

辽宁境内某高速公路大桥右幅全长286m，跨径组合为（4×30+5×30）m，桥面净宽10.5m，设计纵坡2.5%，桥梁设计荷载为公路I级。上部结构采用5片装配式预应力混凝土T梁，梁间横向间距2.4m，梁高2m，施工方法采用先简支后连续。下部结构桥墩采用桩柱式桥墩，墩柱直径1.6m，桩径1.8m，墩柱高从17.1～28.2m不等，0#和9#桥台采用重力式桥台，扩大基础，桥型布置如图1所示。桥2#、3#、5#、6#、7#墩为墩梁固结，4#墩为非连续墩，墩顶纵向设置两排盆式橡胶支座。

图1 桥型布置图（单位：m）

桥2014年正式通车，根据交工验收资料，成桥时各非连续墩竖直度偏差均在10mm以内。2018年定期检测时发现4#墩两个墩柱均向上坡方向偏移，偏移值均在250mm左右，墩柱下坡侧在地面上6m范围内出现多条环状裂缝，宽度0.2～0.5mm，深度7～10cm，长度约1/2～3/4周长。回弹法实测墩柱混凝土强度大于40MPa，满足设计规范要求。4#墩墩顶支座上钢板纵向相对支座中心线滑移235～270mm不等，并出现多条间距相等滑移痕迹线，支座顶钢板外露出桥墩盖梁顶边缘，支座呈现局部受压，开裂和严重变形，已经完全失效。支座顶钢板与梁底预埋钢板均开焊。

2 病害成因分析

结合力学基本理论，文中对梁桥的关键受力部件梁底楔形块受力状态展开研究，分别考虑了楔形块正常工作和非正常工作两种受力模式，分析非连续墩墩顶偏移产生机理，并从理论上推导墩顶偏移的产生条件，以为实际工程服务提供基础依据。

2.1 温度交替作用楔形块受力机理

正常使用的多跨大纵坡连续梁桥一般在梁底支座位置设置楔形块将其调平，以保证温度外荷载作用下支座受力均匀，梁体水平方向变形自由。如图2所示，纵坡i%的桥梁（主梁与水平面夹角为θ1），梁底楔形块底面完全水平，并与支座紧密接触。设楔形块所承受的梁体重力均为G，支座对楔形块的支撑反力为N，滑动支座摩擦力为F，温度荷载水平作用力为T。

图2 楔形块正常受力状态

以楔形块为研究对象，按照静力平衡条件得竖向力G=N，水平力T=F。

当达到最大静摩擦力时，支座与楔形块之间产生滑动后，水平力T减小，与静摩擦力F达到新的平衡。桥梁正常运行状态下，楔形块（梁端）随着温度荷载做水平可逆的往复运动。

实际桥梁中，由于施工误差，楔形块底面不能有效调平，梁体伸缩变形受支座约束不能自由滑动。为讨论方便，假设楔形块底面与主梁纵坡夹角均为θ2，则温度荷载作用下受力状态见图3。

图3 楔形块未调平受力状态

在升温荷载工况下，当梁体与支座未发生滑移，A梁和B梁与支座的静摩擦力分别为F1和F2，以A梁楔形块和B梁楔形块为研究对象，按照静力平衡条件可得：

升温初期，静摩擦力、重力和温度作用力三者形成自平衡状态，随着温度荷载T继续加大，A梁F1将首先达到首先达到F1max，楔形块与支座滑移，T1和F1均减小，非连续墩所受的合力为F增大，方向往上坡方向，桥墩将往上坡方向偏移，T2和F2随之减小，直到达到新的平衡。继续升温过程将重复上述过程，桥墩继续向上坡方向产生偏移。

同理，采用上述方法分析降温工况，按静力平衡条件可得：

根据式（4）、式（5）可知，降温状态下B梁将首先达到F2max，楔形块与支座滑移，T2和F2均减小，非连续墩所受合力指向A梁回缩方向，带动桥墩将往上坡方向偏移，T1和F1随之减小，直到达到新的平衡。由此可见，不管是升温还是降温荷载工况，梁底楔形块不平整都会导致非连续墩往上坡方向偏移。

桥梁建成后，结构温度随冬夏季节温差交替作用，非连续墩的位移量与支座的相对滑移量不断累加，且不可自行恢复，承受竖直轴向荷载的受压构件逐渐发展为压弯构件，当发展到一定程度后，桥墩墩底拉应力超过混凝土抗拉强度而开裂，并形成多道环向裂缝。

2.2 其它影响因素分析

当梁底楔形块未调平时，除上述讨论的温度作用影响外，汽车荷载对非连续墩偏移也产生影响。当汽车荷载在桥面行驶和制动时，对主梁将产生冲击力和制动力，冲击力和制动力方向与行驶方向相同，正常受力工况下主梁将通过支座将其传递到下部结构。当汽车上坡时，汽车制动力和冲击力作用下将推动桥墩往上坡方向偏移，墩顶相应产生转角，支座垫石顶面与楔形块底面夹角将增大，（θ1-θ2）值增大，支座与梁底接触面积减小，更容易产生支座滑移，桥墩往上坡方向偏移的现象。相反，当汽车下坡时，汽车制动力和冲击力作用下将使桥墩往下坡方向偏移，此时，墩顶产生的转角后，支座垫石顶面与楔形块底面夹角将减小，（θ1-θ2）值减小，支座与梁底接触面积增大，不易产生这一现象。因此，受长时间单方向的滑移累计，加剧了非连续墩偏移的系列病害。

当然，支座老化鼓包、受力及变形不均匀、钢板锈蚀等都可能增大摩擦力，从而导致非连续墩墩顶两排支座受力不协调，墩顶产生相应方向的偏移病害。

2.3 墩顶偏移产生条件

通过对以上非连续墩正常调平楔形块和非调平楔形块受力对比分析，我们不难得出，影响非连续墩病害的直接原因就是梁底楔形块未有效调平，导致非连续墩墩顶纵向两排支座不能同时产生滑移。理论上讲，如果桥墩为绝对刚性，当作用力超过最大静摩擦力后，纵向两排支座都会先后发生滑动，不会产生相应病害。相反，如果桥墩柔性较大，温度作用力一直小于其中一排支座与楔形块的最大摩擦力，则不会产生滑移。为此，有必要结合桥墩的实际刚度对这一临界状态展开研究。

假设A梁、B梁线膨胀系数为α，A、B梁温度变形0点至梁端距离分别为LA、LB，非连续墩纵向水平截面抗弯刚度为EI，墩高h。最大升温工况下，B梁梁端伸长量δ（墩顶位移量）为αΔtLB，B梁与支座达到最大静摩擦力，A梁与支座产生滑移，静摩擦力为0；最大降温工况下，A梁梁端收缩量δ（墩顶位移量）为αΔtLA，A梁与支座达到最大静摩擦力，B梁与支座产生滑移，静摩擦力为0。见图4升温工况下，墩顶所受的水平力：

图4 滑动后临界受力状态

即非连续墩刚度同时大于式（6）、式（7）时，可保证墩和梁之间同时滑移，将不会产生该类病害。

从式（6）、式（7）可以看出，桥墩水平抗推刚度、桥面纵坡、摩擦系数一定时，控制楔形块底面与主梁夹角θ2是最有效的办法。

2.4 依托桥梁病害分析

依托桥梁位于辽宁境内，当地极端最低气温-23.3℃，极端最高气温33.4℃，平均温度8℃。据查阅竣工资料，该桥施工形成连续梁阶段正处于夏季，运营阶段受升温作用力较小，但大桥受降温影响作用明显，极端作用下可达56℃，计算时温差按照50℃考虑。经现场测量，非连续墩P4上方梁底楔形块底面纵坡与主梁纵坡基本一致，但垫石顶面均为水平状态。该桥梁具体参数如下：

按文中式（7）计算：

计算表明，该墩柱不能满足支座与楔形块之间的正常滑移条件，现对一年温度变化引起的主梁变形过程进行理论计算。

最大降温工况下，此时A梁缩短，受楔形块限制将带动P4墩向左发生偏移30mm。B梁支座当达到临界滑动摩擦力时发生滑动，相对最大滑移量为收缩变形量和墩顶偏移量之和，即30mm+38mm=68mm。当从最低温度回到初始最高温度时，B梁与P4墩墩顶支座又不能发生滑移，将推动P4墩继续左偏移38mm（P4墩累计偏移30mm+38mm=68mm），A梁伸长，并与支座发生滑移，向下坡侧滑移量为膨胀变形量和墩顶偏移量之和68mm。从夏季到冬季、从冬季回到夏季一个循环P4墩累计向上坡侧偏移68mm，且不可自动恢复，从施工完成到定期检测第四年时间累计墩顶偏移将达272mm，这一理论分析数值与定期检测结果250mm基本吻合，进一步印证了墩柱偏移的原因。

3 病害处理方法及预防性对策研究

3.1 病害处理方法

非连续墩异常偏移病害是典型的弯曲破坏形式，成因机理明确，建议根据病害的严重程度采用不同的处理方法。若墩柱偏移量较小，墩底裂缝不严重且未对结构承载力明显削弱时，可将其桥墩复位后直接采用外包钢护筒或粘贴碳纤维进行加固。若墩柱病害严重以致不能加以利用时，建议在非连续墩两侧搭设临时钢管支架，采用“托梁换柱”的方法对病害墩柱进行替换。同时，建议在运营期间对处理完成后的墩柱建立健康监测系统，持续关注该处伸缩缝、支座位移和墩柱偏移状态，确保桥梁结构安全可靠[10，11]。

3.2 预防性对策

高墩大纵坡非连续墩偏移病害处理不仅需较长时间中断交通，还需承担较大的工程费用，对工程的管养带来沉重的负担。因此，十分有必要在设计及施工阶段提出相应措施，以避免该类现象的发生。

（1）提高梁底楔形块角度控制精度。JTG/T 3650-2020《公路桥涵施工规范》仅规定断面尺寸的顶、底、腹板允许最大误差为+5mm，对梁底楔形块尺寸并未单独要求。参照30m跨径T梁通用图，预制梁楔形块纵向尺寸为540mm，若按照上述允许施工误差+5mm计算，正常施工情况下引起纵坡偏差为0.9%。DB 61/T1440-2021《公路预应力混凝土连续刚构桥施工技术规范》规定楔形块底面纵坡不应大于0.5%。根据现场实测发现，梁底楔形块底面纵坡远大于设计规定值，不能保证楔形块底面与支座良好接触。因此，施工过程中必须加强梁底楔形块施工精度的控制，从根源上避免该类现象的发生。

（2）非连续墩墩顶选用摩擦系数小的球形支座。采用盆式橡胶支座时，当结构出现偏差时容易产生橡胶不均匀挤压，支座状态易发生异常，既对结构受力状态产生不利影响，又对橡胶耐久性产生不利影响。而球型支座通过球面传力，不会出现力的缩颈现象，作用在混凝土上的反力比较均匀；同时，球形支座通过球面聚四氟乙烯板的滑动来实现支座的转动过程，转动力矩小，而且转动力矩只与支座球面半径及聚四氟乙烯板的摩擦系数有关，与支座转角大小无关。因此，非连续墩墩顶选用摩擦系数小的球形支座对结构的整体受力更为有利。

（3）大纵坡高墩桥梁增设纵向限位装置。为防止桥梁运营阶段因施工误差引起墩柱产生水平位移不断积累而危及桥梁安全，设计中建议在非连续墩墩顶增设纵向限位挡块、主梁间纵向连接拉杆、桥墩与主梁间限位装置等。在保证伸缩缝的工作的同时，也避免产生影响桥墩安全的较大水平位移。

（4）适当增大非连续墩抗推刚度。适当增大非连续墩的抗推刚度可增强抵抗水平变形的能力，减小墩顶的水平位移，达到减缓楔形块施工误差带来的不利影响，保证在役桥梁的安全。

4 效果分析

工程按照“托梁换柱”的方法对P4墩柱重新施工，同时采用相同型号的盆式支座更换原有损坏支座，重新对梁底楔形块底面进行调平，并增设了桥墩与主梁之间的限位装置。目前，该桥加固后已运行超过3年，未再次发现该类病害。正确的病害处治设计和现场的精细化施工，有效地解决了高墩大纵坡梁桥偏移病害的系列问题。

5 结语

文中结合实际工程，对连续梁桥非连续墩异常偏移病害成因机理展开研究，推导了墩柱偏移产生的条件，并针对性提出了病害的具体处理方法和预防性对策，并得出如下具体结论：

（1）高墩大纵坡梁桥运营过程中出现非连续墩墩顶往上坡方向偏移、支座上下钢板相互滑移、墩底环状裂缝的直接原因是梁底楔形块底面未有效调平，导致温度作用下非连续墩墩顶两排支座不能同时自由滑动。汽车制动力和冲击力、支座老化、局部变形等会加剧这一病害的发展。

（2）从产生病害的机理出发，影响非连续墩病害的因素有非连续墩水平抗推刚度、摩擦系数、主梁纵坡、梁底楔形块底面与纵坡夹角、支座所受的垂直反力、温度作用下梁端变化量等。提出主动控制的最有效措施是控制楔形块底面角度误差。

（3）根据非连续墩病害程度提出了两种加固处理方法，对病害较轻且承载力未显著降低的墩柱建议采用外包钢护筒或粘贴碳纤维布进行覆盖，对墩柱病害严重不能加以利用时采用“托梁换柱”的方法进行替换。同时建议在运营期间对处理后的墩柱建立健康监测系统，确保桥梁结构安全可靠。

（4）针对高墩大跨非连续墩的这类病害，提出了加强梁底楔形块精度控制、采用摩擦系数较小的球形支座、增设限位装置和适当增强非连续墩抗推刚度等多种预防性措施，避免该类现象的发生。