吴佳佳，王永宝
（1.山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032；
2.太原理工大学 土木工程学院，山西 太原 030024）
曲线桥梁美观、适应性好，广泛应用于高速公路桥梁和城市立交桥。部分桥梁运营中出现了梁体横向（径向）偏位等病害，甚至导致外侧挡块损坏，严重降低桥梁的安全性，同时损坏了公路网和城市道路的畅通性。曲线梁桥的径向偏位来自其结构及受力的复杂性，目前，部分学者开展了针对具体桥梁的径向偏位成因分析[1-2]，但不具有普遍性，且鲜有关于新建桥梁和既有纠偏桥梁的径向偏位防治措施。本文从桥梁构造及其所受的作用和桥梁病害等方面分析曲线梁桥径向偏位成因并提出防治措施。
2.1 桥梁所受作用对径向偏位的影响规律
某单箱单室梁桥，桥面总宽10.8 m，跨径分布为4×20 m，桥墩编号为0～4号墩。采用Midas建立了有限元模型分析桥梁所受作用对径向偏位的影响规律。有限元模型主要考虑恒载、支座沉降、汽车荷载（QC-C20、G120）、离心力、均匀温度（20℃、-10℃）、梯度温度（14℃、-7℃）的作用。
计算得到各作用下桥梁的径向偏位并进行分析汇总如图1，均匀温升、梯度温升、自重、离心力、汽车荷载、支座沉降等作用下桥梁产生沿曲线外侧的径向位移，其中均匀温升下的位移占比最大，为70.3%，位移为13.6 mm，其次为梯度温升，占比9.9%，位移为1.9 mm；
均匀温降、梯度温降、汽车荷载、支座沉降等作用下桥梁产生沿曲线内侧的径向位移，其中均匀温降下的位移占比最大，为70.6%，位移为6.8 mm，其次为支座沉降，占比18.1%，位移为1.74 mm。由上可知，季节温升和日照温升作用下，梁体将产生沿曲线外侧的径向位移，而温度降低时梁体不能完全复位，日积月累，梁体将产生不可恢复的残余径向位移。因此，桥梁设计中应充分考虑均匀温降等有利于梁体复位的作用，科学合理地确定桥梁合龙温度。
图1 不同作用下桥梁的径向位移（单位：mm）
将曲率半径 75 m、100 m、200 m、300 m、500 m、1 000 m时各因素的占比汇总如表1。
表1 各作用下梁体径向偏位占比
可知曲率半径变化时，各作用导致的梁体沿曲线外侧偏移占比基本不变，随着曲率半径的增大，均匀温降导致的梁体向曲线内侧偏移值逐渐减小，支座沉降导致的梁体向曲线内侧偏移值逐渐增大。综上，均匀温升是造成桥梁沿曲线外侧径向偏位的主要影响因素，桥梁设计时，应充分考虑不同曲率半径桥梁的受力性能，合理利用可减小桥梁偏移病害的有利因素。
2.2 曲线桥梁构造对径向偏位的影响规律
2.2.1 曲率半径
梁桥曲率半径分别为75 m、100 m、200 m、300 m、500 m时，建立有限元模型，得到不同作用下桥梁的径向位移如图2，位移沿径向向外为正，向内为负，其中均匀温降、梯度温降、汽车荷载（最小）、支座沉降（最小）的位移为负，图示位移均为绝对值。
图2 桥梁各作用下的曲率半径-径向位移图（单位：mm）
由图可知，随着曲率半径的逐渐增大，各种作用下桥梁径向位移均呈现非线性减小，曲率半径R≤300 m时，曲率半径对梁体径向位移影响较为显著，当R≥500 m时，各作用下梁体径向位移趋于稳定，可采用以直代曲分析梁体径向位移。值得注意的是，离心力作用对桥梁径向位移的影响具有明显的分界点，当R≤200 m时离心力对梁体径向位移的影响较大，当R＞200 m时离心力对径向位移的影响较小，基本可以忽略，建议仅在R≤200 m时考虑离心力对梁体径向位移的影响。
2.2.2 桥梁纵向联长
某曲线梁桥，上部结构为1×16 m＋10×20 m＋1×16 m预应力混凝土连续现浇弯箱梁，桥墩编号为0～12号墩。按照实桥12孔一联和划分为4孔一联并选择合理的支承型式，分别建立有限元模型，计算得到均匀温升作用下桥梁的径向位移分别为4.5 mm和0.64 mm。可知，桥梁纵向联长布置对桥梁径向位移影响显著。因此，桥梁设计中，尽量减少桥梁每联孔数，可有效降低桥梁运营中径向偏位风险。
2.2.3 桥梁支承形式
根据在运营桥梁常用的支承方式，桥梁支承形式对梁体径向位移的影响主要包含径向约束支座的位置、单双支座的设置，以某四跨桥梁为例，考虑上述影响因素设计4种支承方案，图3给出了支承三示意图，计算得到不同支承形式均匀温升作用下的最大径向位移如表2。
图3 支承三示意图
表2 不同支承形式下桥梁的径向位移
由表2可知，支承一的径向位移仅为支承二的46%，支承一、二各桥墩均设置双支座，支承一采用径向约束支座位于2号墩的对称布置方案，支承二径向约束支座位于1号墩，表明曲线梁桥支座对称布置，可以大幅减小桥梁的径向位移；
不同支承形式桥梁径向位移有支承一（4.3 mm）＜支承三（4.5 mm）＜支承四（8.0 mm），支承一、三、四径向约束支座均位于2号墩，边墩均采用双支座，中墩支座分别采用双支座、单/双支座交替、单支座，表明双支座及单/双支座交替布置桥梁的径向位移较小，且基本一致，能够有效限制桥梁的径向偏移。
2.3 伸缩缝卡死对径向偏位的影响规律
伸缩缝堵塞卡死是造成曲线桥梁径向偏位的主要病害，通过有限元分别计算得到伸缩缝正常运行和卡死后均匀温升下桥梁的径向位移分别为4.3 mm和7.0 mm，伸缩缝堵塞卡死后桥梁的径向位移大幅增加，因此加强桥梁伸缩缝的日常养护可以降低桥梁径向偏位的风险。
针对曲线桥梁偏位成因，建议在桥梁设计、养护中注意以下几点。
a）曲线桥梁设计时，在充分考虑路线走向的前提下，应尽量避免选择较小曲率半径，必须选择小曲率半径时，应充分考虑均匀温升对桥梁径向位移的不利影响。桥梁总长较长时，可分多联，应合理减少每联的跨数。
b）曲线梁桥建议优先选择双支座，且支座应对称布置。
c）曲线桥梁设计应综合考虑合龙温度对桥梁结构受力性能的影响，在保障桥梁安全经济的前提下可选择较高的合龙温度。
d）桥梁设计时应合理选择伸缩缝以适应梁体升降温下的变形，桥梁运营中应加强伸缩缝日常养护，伸缩缝堵塞、卡死应及时处治。
e）为保障桥梁的安全运营，发现偏位的，应及时复位，分析原因并处治。
通过有限元分析了曲线桥梁径向偏位主要影响因素，并提出了针对性的防治措施，结论如下：
a）均匀温升、小曲率半径、伸缩缝堵塞卡死是造成桥梁沿曲线外侧径向偏位的主要影响因素，均匀温降有利于梁体复位，桥梁设计中应充分考虑不同曲率半径桥梁的受力性能，科学合理地确定桥梁合龙温度。
b）当曲率半径R≥500 m时，各作用下梁体径向位移趋于稳定，可采用以直代曲分析梁体径向位移。建议仅在R≤200 m时考虑离心力对梁体径向位移的影响。
c）桥梁纵向联长布置对桥梁径向位移影响显著，设计中应尽量减少桥梁每联孔数。曲线梁桥应优先选择双支座，且支座对称布置可大幅减小桥梁的径向位移。
d）桥梁运营期间应加强伸缩缝的日常养护，以降低桥梁径向偏位的风险。
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