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曲线形桥梁常见病害

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浏览:- 发布日期:2018-04-02 15:51:30【

一、概述

随着我国公路建设的蓬勃发展,公路间转换越来越多,互通和枢纽规模随之增大,高架道路以及立交工程的兴建越来越多,曲线桥的需求量大大增加。与直线桥相比,曲线桥对地形、地貌的适应性较强,更能适合高等级公路、城市立交工程的的线性需要,同时,其具有曲线结构线形平顺、流畅、明快、意境生动的美学价值。因此,在高等级公路及城市道路中,曲线梁桥不仅能实现各方面的交通连接,而且能满足人们的审美视觉要求,是现代交通工程中的一种重要桥型。

与直线桥相比,由于曲率的影响,导致曲线梁桥产生弯矩耦合作用,并且曲线桥的质量中心不在轴线梁端的连线上,即使在自重作用下,桥梁结构也会产生扭矩,所以,曲线桥的内力、变形计算比直线桥计算复杂。曲线梁桥的大规模使用,各种病害也大量出现,甚至许多桥发生了安全事故,对国家造成巨大的经济损失,在社会上也造成了很大负面影响。

典型病害

1、内侧支座脱空,支座剪切变形

由于梁体结构径向变位所产生的严重剪切变形, 部分橡胶支座环向开裂而失效。此外, 在恒载状态下, 曲线桥梁端内、外侧支座受力不均, 内侧支座可能出现拉力, 产生脱空现象; 外侧支座剪切变形量过大, 也会影响使用寿命。部分对应桥面伸缩缝翘起,可伴随箱梁撞击支座的声音。


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2、横向滑移

曲线连续梁桥在支撑方式、温度荷载、混凝土收缩徐变、车辆荷载以及预应力钢束的影响下,致使曲线梁产生径向位移,由于平面线位移约束不够,导致梁体向外侧的线位移不能完全恢复,形成向外侧的残余线位移逐渐积累,造成梁体横向滑移。

2.1、支撑方式

曲线连续梁桥的受力机制与直线梁桥相比,有很大的差异,首先由于曲率的影响,主梁在自重作用下必然发生扭转,而扭转作用又导致主梁的挠曲变形,可能造成“弯扭-耦合”作用。在相同的荷载下,不同的支撑方式对曲线连续梁桥的内力与支反力有着很大的影响,因此在设计时一般都会考虑扭转因素的存在,如果扭矩设置过大,则会对上部结构与支座设计带来相当大的困难。

曲线连续梁桥的支撑方式是影响曲线梁体横向偏位的潜在因素,直接影响着曲线梁体内力的分布,选取合理的支承方式不仅可以承受自重和活载、偏载等因素所产生的组合扭矩作用,而且可以限制结构的平面位移;一般根据曲率半径与总体布置而选用最为合适的支撑方式。常用的支撑方式有全抗扭支撑、中间点铰支撑和抗扭与点铰支撑交替使用三种形式。

2.2温度影响

温度影响包括日照温差(温度梯度)和季节温差(系统温差)。这两种温度形式对曲线梁桥的影响是不同的。季节温差主要是引起曲线梁体的平面变形,而日照温差则会使曲线梁桥发生竖向翘曲和扭转。

2.3收缩徐变影响

混凝土的收缩与徐变都是时间函数。混凝土的收缩是在非荷载因素下体积变化而产生的变形。混凝土失水时收缩,浸水时膨胀。混凝土的徐变则是在荷载因素下构件首先发生瞬时的弹性应变,并且,随着时间的推移,进一步增加变形。


3、主梁侧翻

曲线连续梁桥在支撑方式、温度荷载、混凝土收缩徐变、车辆荷载以及预应力钢束的影响下,致使曲线梁产生切向位移,由于扭转约束不够,致使梁体产生不利的向外偏心,造成恒载扭矩加大,使梁体产生逐渐向外侧翻转的累计变形,造成主梁梁体侧翻。

例如:深圳市滨河路车公庙立交桥,采用单箱双室箱梁,箱梁高2.7m,翼缘板长2.1m;桥梁位于R=265.3 m的平曲线上,桥宽12 m。除了中间3个支承采用独柱支承,其余均为双柱支承。该桥在第一施工阶段预应力张拉后,拆除跨中支架时引起支架垮塌,主梁产生翻转。


4、扭转翘曲

 曲线连续梁桥由于曲率的影响,主梁在承受竖向荷载时必然发生扭转,而扭转作用又导致主梁的挠曲变形,可能造成轴向变形与平面内弯曲的耦合,竖向挠曲与扭转的耦合。


5、盖梁中部竖向裂缝

        由于有的曲线桥半径较大,在中间墩柱未设置偏心支座,以减少桥两端恒载扭矩作用,内外侧支座反力相差较大,使外侧支座产生过大超载,梁体出现裂缝。由于外侧支座偏载过大,与此同时墩盖梁较薄、较宽,支座偏心产生的盖梁横向弯矩较大,而横向配筋除箍筋外没有承受横向弯矩的钢筋,因此,盖梁会出现裂缝。


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6、梁体裂缝—弯扭

6.1 温度变化产生附加应力

混凝土在强度形成过程中由于水化热、阳光照射、大气及周围温度变化的影响,将引起温度应力,当温度应力超过混凝土的抗拉强度时,将产生温度裂缝。冬季施工及蒸汽养护措施不当,使混凝土冷热、内外温差不均引起裂缝。由于曲率的原因,在温度变化时使得梁体沿切向位移不均匀,造成温度应力在同一截面上不同,引起梁体顶板、腹板和底板温度裂缝。

6.2 预应力产生径向分力

在混凝土曲线梁桥中配置预应力钢束时,由于曲率的原因预应力产生切向和径向分力。径向分力对梁截面中性轴的偏心将引起截面扭转,使梁向外侧扭转,在梁内产生剪力和扭矩。当腹板中抗扭钢筋配置不足时,导致腹板和底板产生裂缝。

6.3 混凝土收缩与徐变的影响

混凝土在强度形成过程中表面的水蒸发并逐步扩展到内部,在混凝土内部形成含水梯度,表面收缩大而内部收缩小,出现内外收缩差,混凝土表面受到拉应力,而内部受到压应力,当混凝土表面的拉应力超过混凝土的抗拉强度时,便产生收缩裂缝。干燥环境、养护不及时、混凝土水灰比过大容易引起收缩裂缝。在预应力混凝土曲线梁桥中,收缩和徐变会导致预应力损失,徐变将引起结构次内力。因此,混凝土收缩和徐变会在曲线梁桥中产生裂缝。

6.4 支座不均匀受力

对于混凝土曲线梁桥来说,由于曲率的影响使梁体外侧边的弧长大于内侧边的弧长,从而造成梁体的重心与截面形心轴不重合,向外侧偏移一定的距离,因此,使梁端内、外侧支座受力不均匀,同时产生向外偏转的扭矩。支座的不均匀受力和扭矩会造成梁体裂缝。为了减小桥梁基础与地下建筑物之间的冲突、扩大桥下空间,独墩单铰支座混凝土曲线梁桥在城市立交桥中得到广泛应用。独墩单铰支座曲线梁桥的中间铰支座通常采用圆形四氟板式橡胶支座,温度变化对径向变位存在明显的影响。梁体升温时向外侧的线位移在降温时不能完全恢复,形成向外侧的残余线位移逐渐向外翻转的累积变形。当累积变形达到一定程度后会造成温度应力的不均匀分布,引起梁桥腹板和底板温度裂缝。

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6.5 设计计算模型不合理

目前混凝土曲线梁桥的设计计算中,由于温度梯度模型不合理使得计算得到的温度应力与梁体内温度应力相差很大,甚至可能是异号应力;预应力的径向分力对梁截面中性轴产生扭矩,自重的偏心同样会产生扭矩,已有的计算分析程序对这些扭转作用考虑不足;对于宽箱梁桥,翘曲、畸变、剪力滞效应考虑不足,导致在曲线薄壁结构中出现较大计算误差。这些设计方法中没有考虑到的因素,可能会对梁桥出现裂缝产生很大的影响。

6.6 施工的原因

        施工时预应力钢筋的布置与图纸有一定的差距,混凝土曲线梁桥设计中预应力钢筋是光滑的曲线,但是在施工时将钢束布置成折线形,导致折点处应力集中,产生远大于设计要求的应力,容易在箱梁的腹板和底板中造成纵向裂缝。在箱梁混凝土浇注前未按设计要求对支架采取全区段预压,浇注混凝土过程中支架随着所浇注的混凝土重量的加大发生不均匀沉降,造成箱梁在未张拉预应力钢束前开裂;现浇混凝土曲线箱梁的支架拆除工序不当,也会造成梁体开裂。由于恒载的偏心以及预应力束配置的不够合理,可能会导致箱梁内外侧支架的受力不均匀,当浇注混凝土时,可能会导致部分支架发生失稳现象,引起梁桥侧倾和开裂。

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