曲線橋梁的病害、成因及措施
2017-02-13
1、曲線梁橋的力學(xué)特點
曲線梁橋由于曲率的影響，主梁在承受豎向荷載時必然發(fā)生扭轉(zhuǎn)，而扭轉(zhuǎn)作用又導(dǎo)致主梁的撓曲變形。與直線梁橋相比，曲線梁橋由于彎扭耦合作用，使得結(jié)構(gòu)在受力上具有以下的一些特點：
（1）主梁撓曲變形大，彎扭耦合效應(yīng)明顯。曲線梁橋的撓曲變形一般比相同跨徑的直線梁橋大，這是因為曲線梁橋的撓曲變形不但來自于彎矩，而且還來自于扭轉(zhuǎn)力矩。在均布荷載作用下，曲線梁橋外邊緣的撓曲變形大于內(nèi)邊緣的撓曲變形，而且曲率半徑愈小，變形愈嚴重。
?。?）彎矩效用大，曲線梁橋的彎矩一般比相同跨徑的直線橋大。
?。?）扭矩效應(yīng)大，在直線梁橋中，只有當荷載偏心時，才會產(chǎn)生扭矩；而在曲線梁橋中，無論荷載偏心與否，都有彎矩和扭矩產(chǎn)生，而且支承處也承受較大的扭矩。曲線梁橋中，總扭矩一般由自由扭轉(zhuǎn)扭矩和約束扭矩組成，自由扭轉(zhuǎn)矩和約束扭矩在總扭矩中所占比例，取決于曲線梁橋的曲率半徑及主梁的截面形狀。
（4）橫梁的重要性，曲線梁橋的橫梁是有助于抵抗扭矩、保持全橋穩(wěn)定的重要構(gòu)件，因而與一般直線梁橋相比，要求曲線梁橋的橫梁剛度較大。
?。?）支承反力的特殊性，與直線梁橋相比曲線梁橋的支承反力有外梁大，內(nèi)梁小的傾向。因此在內(nèi)梁中有產(chǎn)生負反力的可能，尤其在曲率半徑和靜荷載較小時，更容易出現(xiàn)負反力。
2、曲線梁橋的常見病害
由于結(jié)構(gòu)受力上的特點，曲線梁橋尤其是小半徑曲線梁橋比直線梁橋更容易出現(xiàn)各種病害，在對曲線梁橋病害的調(diào)查總結(jié)發(fā)現(xiàn)，曲線梁橋的常見現(xiàn)象可歸納為以下幾種：
?。?）梁體出現(xiàn)裂縫，橋墩蓋梁出現(xiàn)裂縫。曲線梁橋設(shè)置雙支座抗扭蓋梁，由于支座脫空，另一側(cè)支座受力過大而引起蓋梁開裂。
?。?）曲線橋出現(xiàn)側(cè)移和轉(zhuǎn)動，橋面橫坡及梁軸曲率出現(xiàn)有害變化。梁體結(jié)構(gòu)徑向變位不能回復(fù)，導(dǎo)致梁體外移量逐年增加，當徑向變位累積到一定量后，梁體有脫空、失穩(wěn)的可能。
?。?）支座破壞，由于梁體結(jié)構(gòu)徑向變位所產(chǎn)生的剪切作用而變形嚴重，部分橡膠支座環(huán)向開裂失效。此外，在恒載狀態(tài)下，曲線梁橋梁端內(nèi)、外側(cè)支座受力不均，內(nèi)側(cè)面支座可能出現(xiàn)拉力，產(chǎn)生脫空現(xiàn)象；外側(cè)支座剪切變形量過大，也會影響使用壽命。
?。?）下部結(jié)構(gòu)破壞。由于預(yù)應(yīng)力的徑向力作用，使梁體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，梁體的變形使結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與原設(shè)計有所不同。按現(xiàn)狀運行的話，上部結(jié)構(gòu)的受力性能尚能滿足規(guī)范要求，但是部分下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計承載力則明顯不足。樁基、立柱和蓋梁的受力超過原設(shè)計值，從而影響正常使用。
3、病害原因分析
曲線橋梁由于自重和外力荷載作用下會產(chǎn)生扭矩和扭轉(zhuǎn)變形，引起病害主要有梁體縱橫向的爬移錯位、支座脫空、梁體傾斜等病害。
?。?）橋梁下部結(jié)構(gòu)采用獨柱支承方式，支承點的位置對梁體的扭轉(zhuǎn)受力有較大影響，支承點的位置不正確會導(dǎo)致梁體扭轉(zhuǎn)變形較大，引起支座脫空、梁體傾斜。
（2）橋臺、橋墩的支座形式設(shè)置對梁體爬移有較大影響，主要是因為在采用沒有水平位移約束的活動支座時，曲線梁在汽車活載的離心力和制動力長期反復(fù)作用下，容易產(chǎn)生主梁向曲線外側(cè)及汽車制動力方向的水平錯位，一般匝道橋都是單向行駛，所以這種作用力總是朝著固定的方向。當中墩采用圓板支座時，在梁體縱坡的影響下，梁體易產(chǎn)生向下的滑動，這種滑動與汽車制動力一致時就更加劇了主梁的水平錯位。
?。?）設(shè)計時只注意到了梁體的扭矩而忽視了控制它的扭轉(zhuǎn)變形，一根曲線梁雖然扭矩值滿足設(shè)計要求，但是并不一定達到了其真正的平衡狀態(tài)，仍然會使梁體產(chǎn)生很大的扭轉(zhuǎn)變形，所以設(shè)計時要使支點和跨中載面的扭轉(zhuǎn)角接近相等，同時控制梁體各載面的扭轉(zhuǎn)角和扭矩值，使梁體被調(diào)整到最佳平衡狀態(tài)。
4、對策分析
為了減少橋梁病害的發(fā)生，對各種病害都應(yīng)采取相應(yīng)的措施：
?。?）防止梁體平面轉(zhuǎn)動和扭轉(zhuǎn)的措施
曲線梁橋的自身特點決定了體積中心偏于橋軸線的外弧線，同時產(chǎn)生了向外側(cè)翻轉(zhuǎn)的均勻扭矩，加上車輛行駛時的離心力，它們均與彎梁橋上相鄰兩支點的連線不處在同一平面內(nèi)，而是繞該連線發(fā)生扭轉(zhuǎn)。最簡單的解決方法是將中間獨柱墩的支座向外側(cè)設(shè)置一定的預(yù)偏心，還可以采取一些構(gòu)造措施加以改善， 如:將梁體的附屬結(jié)構(gòu)設(shè)置在內(nèi)弧側(cè)，橋臺上內(nèi)弧側(cè)的支座設(shè)計為拉壓支座等。
另外，為限制現(xiàn)澆彎梁的側(cè)向移動， 防止運營中出現(xiàn)轉(zhuǎn)動，在匝道橋交界墩及橋臺抗震擋塊內(nèi)側(cè)增設(shè)四氟板及其固定鋼板，并用膨脹螺栓固定。
（2）對鋼筋銹蝕處理的措施
對于鋼筋銹蝕問題，在修復(fù)出現(xiàn)銹蝕的區(qū)域時，首先要清除所銹蝕區(qū)域的混凝土，然后對鋼筋采用噴砂法和超高壓水槍進行噴射除銹處理。如果鋼筋嚴重銹蝕，應(yīng)根據(jù)演算結(jié)果確定修復(fù)部位并增加鋼筋數(shù)量，以確保鋼筋含筋率，然后澆注高強混凝土。當混凝土層較薄無法立模施工時，可以采用噴射混凝土澆注。另外，在經(jīng)常接觸水的表面增加環(huán)氧樹脂或其他高分子材料作為防水層，也可以達到防銹蝕的效果。
?。?）防止裂縫出現(xiàn)的措施
可以通過提高結(jié)構(gòu)的含筋率來預(yù)防病害；對于已出現(xiàn)裂縫的橋梁可以采用“ 植筋”技術(shù)和在混凝土表面涂抹環(huán)氧樹脂保護層的方法處置。對于墩臺病害，應(yīng)嚴格控制超載車輛， 對薄壁墩臺應(yīng)該控制墩臺的高度。當橋梁墩臺由于基礎(chǔ)埋置深度不夠，或因施工質(zhì)量控制不嚴等原因， 導(dǎo)致墩臺開裂破損時， 有時會有貫通裂縫，可采用鋼筋混凝土圍帶或鋼箍進行加固。
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