郝亚伟 王少松

甘肃公航旅通定高速公路管理有限公司 中交一公局第一工程有限公司

摘 要： 文章选取某大桥为对象，使用有限元分析软件创建实体模型，选定桥墩高度、支座摩擦系数等指标，对其对桥墩顶发生偏位展开分析，并提出相应的纠正对策，以期为类似研究提供一定的参考。

关键词： 大纵坡梁桥;墩顶;影响因素;偏位;对策;

近些年，随着市政建设的发展，越来越多的桥梁被用于公路及市政建设中。但城市桥梁受到交通组织、线路等因素的影响。公路桥梁尤其是山区公路桥梁，由于地形地貌的限制，时常从弧线大纵坡。桥梁支座等作为一座桥梁结构中不可缺少的一部分，它们对于桥梁墩台受力情况、桥面的收缩及行车平稳性等发挥着重要的作用，在一定程度上影响整座大桥的使用效果及寿命。大纵坡梁桥在高程较低处伸缩缝容易发生破坏，此外，支座因处在非水平状态容易出现剪切破坏。大纵坡梁桥施工完成后，发现分联位置桥墩因出现明显的墩顶偏位，桥墩位置发生支座滑移等病害。基于此，本研究对影响大纵坡梁桥墩顶发生偏移因素展开分析，为改善这种情况提供重要的参考。

1 工程实例

某大桥作为修建于高速公路上的双幅梁桥，其左幅、右幅桥梁全长为262m。该桥平面处在R=1244.309m圆曲线之上，其左右幅桥梁组合成两联4×30.00m。下部结构采用双柱式桥墩，桥台采用U型桥台。左右幅桥梁上部均利用预应力混凝土连续T梁，其规格为8×30.00m。其中，预制T梁、封锚段等部分均使用C50混凝土;墩帽、墩柱等使用C30混凝土;下部构造墩支承梁、墩身使用C40混凝土;承台等使用C25混凝土。

2 工程问题

某大桥的桥梁划分为左幅、右幅，纵坡约为4%。L4#以及R4#依次为左幅、右幅分联位置的桥墩，其上均设计两排橡胶支座，该墩属于双柱式圆柱墩。整个桥施工完成后发现，这两个墩底部邻水侧出现分布均匀的环向裂缝，其上部盖板向着邻水侧出现滑移，具体病害见表1。其中，R4#墩发生偏移更严重，通过现场检查与其相近的L3#、L5#和R3#、R5#，并未发现类似支座滑移的情况。必须注意，这座大桥4#墩底桩基比较短，且使用10.50m的端承桩，墩柱高度设定为40.00m。

表1 梁桥病害分析 *载下**原图

3 有限元模型的建立

为便于进行墩顶偏位的影响因素对桥墩应力的应力分布情况及变形结果的分析，以选定墩顶发生偏移梁最大的两跨(4#)当做研究对象，利用有限元分析软件(ABAQUS)对桥梁结构进行数值仿真模拟研究。

3.1 材料特性

某大桥主梁、桥墩分别使用C50、C40混凝土，其材料特性见表2。

表2 大桥混凝土特性 *载下**原图

3.2 边界条件

实体单元3D20R设计三个自由度，因分联桥墩定偏移是开展研究的主要内容，1#、3#墩的墩顶自由度受到约束，使得其不会发生墩顶位移。与此同时，采用有限元分析软件内的衬套依托定义不同方向的刚度及摩擦系统对支座在桥墩与主梁间的作用进行仿真处理。

3.3 有限元模型的建立

模型借助20个节点的缩减单元3D20R实体单元进行建立，其有限元模型见图1。

图1 有限元分析模型简图 *载下**原图

4 墩顶偏位影响因素的有限元分析

4.1 墩柱高度对墩顶偏位影响

所选大桥作为一座大纵坡桥，其上部结构受到荷载传递至桥墩，因大坡度的水平力难以实现平衡，导致分联位置桥墩受力受到不良的影响。本研究使用有限元软件创建高度分别为25、35、45m的桥墩实体模型，求解墩顶在自重状态下墩顶发生偏位，探究高度对墩顶偏位的影响，具体数据见表3。

表3 不同高度下墩顶位移及墩底主拉应力及弯矩 *载下**原图

通过分析上表发现，随着墩柱高度的不断变化，墩柱高度增大时的偏位值与应力值都在不断升高，即在桥墩高度为45m条件下，墩底的受力最大，其墩顶偏位约为26.3cm，底部的主拉应力是8.23MPa，导致混凝土出现开裂。墩底受力及墩顶偏位也会随着墩高不断增加发生明显的改变。

4.2 支座摩擦系数对墩顶偏位影响

该大桥设计盆式橡胶支座，根据《公路桥梁盆式支座》文件中的各项规定，挑选不同的摩擦系数，获得墩顶发生位移以及墩底相关指标变化情况，如表4所示。由下表可知，如果摩擦系数比较小，会导致墩底出现过大的拉应力，使得混凝土出现破裂.对于所选支座品质好坏，支座摩擦系数大小直接影响桥墩受力情况。

表4 设置不同摩擦系数墩底及墩顶各指标情况 *载下**原图

4.3 纵坡坡度对墩顶偏位的影响

对于大纵坡梁桥而言，这一大桥上部结构某些重力转化成为水平推力作用至桥墩上，使得桥墩实际施工环节及桥梁施工完成条件下受力处在不利状态，选择不同纵坡坡度对桥墩展开分析，详细结果见表5。

表5 不同纵坡坡度对墩底及墩顶指标的影响 *载下**原图

通过分析上表可知，在纵坡坡度是2%条件下，桥墩墩顶偏位约为14.49cm，墩底主拉应力大于材料的允许值，使得墩底混凝土出现裂缝问题。在坡度是4%状态下，桥墩处于最不利的受力状态。

5 墩顶偏位的纠正措施

5.1 支座滑移引起的墩顶偏位纠正

实际施工中，部分支座滑移量明显大于结构正常温度变形条件下的滑移量，严重大于制作所允许的滑移量，如图2所示。当由于支座问题导致桥墩出现偏位时，具体措施在于释放桥墩偏位，并及时更换支座，通过优化支座提升桥梁的使用寿命。

图2 支座异常滑移效果 *载下**原图

更换支座前，首先要对梁体进行纠偏。即将原有支座拆除以后，更换为临时滑动支座后实施纠偏。其主要采用PLC多点同步控制液压系统对多台千斤顶进行油压控制进而对反力架实施顶推，反力架受力后通过精轧螺纹钢拉动反力底座，反力底座受拉力作用于盖梁侧壁，形成一个循环受力系统，最终将发生偏位的墩柱拉至最终复位状态(经计算及现场监测情况确定);纠偏完成后，可将原来支座替换成摩擦系数较大的支座。具体施工方法如下:

(1)准备阶段。搭设操平台;设置顶升、纠偏装置;墩身的限位措施，竖向顶升前对墩身进行临时加固及限位，加固装置采用精轧螺纹钢反拉;限位装置采用钢管及钢板顶撑。精轧螺纹钢直径32mm;采用外径76mm、壁厚4mm的钢管，钢管端部设置5块20mm厚U形钢板。

(2)顶升与复位阶段。竖向顶升T梁，分3次进行顶升，第1次顶升使梁体脱离支座，T梁整体同步顶升一定高度;第2次顶升首先调整伸缩缝两侧高差使梁底恢复至初始位置;第3次顶升主要调整顶升高度，满足支座拆除及临时支座安装，顶升过程中通过拉线位移传感器控制最大顶升高度，顶升最大高度应≤1.5cm。

(3)安装临时支座。

(4)墩柱的纠偏。纠偏过程中对墩身进行应力检测，墩身两侧布设应变片，纠偏过程中对墩柱应力及位移值进行监测。对最终纠偏后的位移值进行计算分析，明确纠偏后墩柱状态并对加固方案进行验证。

(5)更换支座。在梁体顶起至有足够施工操作空间，以刚好能取出临时支座为宜，球形支座高度为95mm，顶升后施工操作空间为105mm，量取梁底预埋钢板坡度加工楔形钢板保证落梁后支座水平不偏压。拆除临时支座后，将球形支座平移至支撑垫石上进行调平。

(6)落梁、伸缩缝的调整与检测。落梁前检查伸缩缝相对高差，落至支座承载以前应注意各墩减速是否一致，位移变化是否一致，相差过大时应找出原因处理后重新落梁。落梁前应确认所有临时支撑已拆除，新支座已安装好。落梁完成后将支座上钢板与梁底钢板焊接牢固，采用对称断续方式焊接，焊接后应在焊接部位做防锈处理。纠偏处治完成后，即刻对该处梁体与墩身相互位移情况进行连续升、降温观测，取得10d内温差与位移相对关系。

5.2 摩擦系数不足引起的墩顶偏位纠正

由有限元分析可知，摩擦系数越小，墩顶位移越大，墩底的主拉应力也越大，可见支座摩擦系数的大小对与墩顶偏位有较大的影响。解决这类问题的方法就是要在了解支座工作性能及其现状基础上，对其摩擦系数进行合理的控制，确保墩顶不会发生偏位的情况。即在盆式支座下设置支承垫石，并根据支座底板螺栓间距与预设螺栓孔部位，要求所用支承垫石表面平整。实际施工时，其顶面标高必须预设底板下环氧砂浆垫层厚度。支座底板的垫石需设置坡面，避免积水。

5.3 纵坡坡度引起的墩顶偏位纠正

由表5可知，在对墩顶偏位问题中，纵坡坡度对于墩身的应力影响较大，为减少纵坡对墩顶位移的影响，设计时应考虑纵坡坡度对墩顶偏位的影响，合理控制墩柱高度以及坡度降低纵坡坡度;施工时要结合具体情况开展施工。在此基础上，对墩身根部的应力等各方面的情况进行监测，进一步降低对结构带来的不良影响。实际施工中，尽量减小施工误差，以确保桥梁具有良好的应用性能。

6 结论

本研究选取某大桥为依托，利用有限元分析软件，对影响墩顶偏位的因素展开分析，研究结果表明，纵坡坡度越大，其上部结构自重荷载对于桥墩的水平推力不平衡，使得墩顶偏位比较大;若桥梁上部与桥墩间的连接作用减小，支座部位发生滑移，墩顶发生较大的偏移。因此，在大纵坡梁桥进行设计时，必须综合考虑桥墩高度、纵坡坡度等影响，获得合理地配合值，确保桥墩施工质量。

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