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摘 要：某互通立交A匝道桥上跨济广高速公路，上部结构为现浇混凝土连续箱梁，下部结构为柱式墩台。本文首先对桥梁的主要病害进行了介绍，并采用弯斜坡异型桥梁空间结构分析软件系统3D-BSA’2008对桥梁进行了针对性的结构分析，其次结合桥梁的结构分析结果，对桥墩墩身开裂、桥梁横向位移及支座破坏进行了深入的分析，针对这些病害提出了相应的加固处理措施。为避免此类病害的发生，最后提出了在设计中应着重注意的问题。该文提出的病害整治措施和设计中注意的问题可为同类桥梁的加固和设计提供参考和借鉴。
关键词：匝道桥 病害整治 措施 结构分析
中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（b）-0097-03
1 桥梁概况
某互通立交A匝道桥上跨济广高速公路，跨径组合为三联4×20m+（20+2×32+20）m+4×20m，第一、三联采用现浇钢筋混凝土连续箱梁，第二联采用现浇预应力混凝土连续箱梁，该桥中心桩号AK0+678.776，起点桩号AK0+543.556，终点桩号AK0+813.996，桥梁全长270.44 m。桥梁上跨济广高速斜交角度为60.456°。
桥梁纵面位于R=4800 m的凸形竖曲线，桥宽19.0 m，桥面横坡为单向最大6%，最大纵坡2.75%，本桥位于半径R=280 m，缓和曲线长LS=220 m的平曲线内。
桥跨布置：第一、三联采用4×20m现浇钢筋混凝土单箱四室连续箱梁，第二联采用（20+2×32+20）m现浇预应力混凝土单箱四室连续箱梁。
桥梁下部结构采用钢筋混凝土肋板式桥台，台身高分别为5.5和6.2 m，承台高1.5 m，采用6根φ1.2 m钻孔灌注桩基础。桥墩采用桩柱式桥墩，墩柱直径为φ1.3 m，桩基采用φ1.5 m桩基础。
箱梁采用C50砼；桥面铺装采用10 cm厚沥青混凝土+三涂FYT改进型防水层+8cmC50混凝土调平层；桥墩立柱、系梁、承台及防撞护墙采用C30砼；桩基采用C25砼。全桥均设置GPZ（Ⅱ）系列盆式橡胶支座；全桥四道伸缩缝均为D80型伸缩缝。
2 桥梁主要病害
通过全桥的检测，桥梁的主要病害为桥墩墩身裂缝、主梁横向位移及支座移位及破坏。
2.1 桥墩墩身裂缝
以第二联6号墩中间立柱及外侧立柱（即为远圆心侧的墩柱）圆心侧水平环向裂缝严重，最大裂缝宽度1.5 mm，裂缝位置分别位于柱底10 cm、50 cm、90 cm等共计10道，柱头径向外倾2.85 cm。
其余墩柱裂缝均出现在中间墩柱或外侧墩柱的圆心侧，距离桩顶约为0～1.5 m处，其最大裂缝宽度约为0.3 mm，最小裂缝宽度约为0.1 mm。其中第一联20道，第二联33道，第三联25道，过渡墩墩身均无裂缝。
2.2 主梁横向位移
桥梁的横向位移主要表现在外侧挡块被挤裂。全桥桥墩挡块与主梁腹板的间距均明显小于设计值5 cm，大部分挡块与主梁腹板紧贴，2、6、8号桥墩外侧挡块均发生不同程度开裂，以6号桥墩外侧挡块最为严重。
2.3 支座横向位移
本桥除固定支座外，其它单向、双向支座均不同程度发生横向位移，其中4号、8号联端墩处支座横向位移严重，均在5cm以上。
2.4 支座剪切破坏
4号、8号墩顶支座顶板外滑，造成支座底板随之滑动，垫石螺栓被剪断，垫石混凝土（外侧）压溃；垫石混凝土回弹强度大于60.0 MPa。
3 桥梁结构分析
3.1 模型的建立
以第二联为例，为了分析主梁在复杂的平曲线内各种作用下的最不利效应，结构分析采用“弯斜坡异型桥梁空间结构分析软件系统3D-BSA’2008”进行，有限元模型中采用了包括主梁、横梁、墩台身、支座、刚臂单元、桩基在内的整体结构分析模型。模型中充分考虑了施工及运营阶段的结构刚度模拟与各种荷载的作用过程，并且计入了预应力钢束对箱梁刚度的影响。为便于分析包括活载偏载效应在内的空间受力特性，采用柔性-剪力梁格理论建立模型，以用于形成桥面网格进行活载布载。活载分析中采用机动法计算内力、支反力影响面。利用二维动态规划在内力、支反力影响线上进行最不利布载。内力、支反力影响面计算中考虑了扭矩的影响，叠加竖向单位力影响面和扭矩单位力影响面，形成组合影响面。纵横向布载中，汽车车队的纵向排列和横向布置及车队荷载效应的纵横向折减系数均满足《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）中的规定。
3.2 主要分析结果
本桥主梁虽发生横向位移，但主梁各部均完好，未发生开裂、局部变形等病害，故认为主梁满足要求，仅针对桥梁病害进行相关验算。
（1）桥墩活载反力、离心力、制动力的计算。
活载按照4列车计入，制动力为442.2KN；设计时速60km/h，标准离心力系数为0.1012，离心力效应计入活载效应中，计算结果如表1。
（2）桥墩强度的计算。
桥墩墩身为圆截面，柱径1.3m，均采用28φ22，桥墩计算长度取2L（L为墩高）。桥墩弯矩由活载的离心力和制动力产生，对于两个方向的弯矩组合采用以下公式计算：，其中Mx为顺桥向弯矩，My为横桥向弯矩。计算结果如表2。
4 桥梁主要病害分析
4.1 病害分析
（1）桥墩墩身裂缝。
本桥采用三柱式桥墩，墩顶无横系梁，横向三柱不能形成横向共同受力。从表1可以看出，凡是柱顶无联系的桥墩（见图1桥型布置图平面），离心力均由中柱承担，边柱不参与横向力的分配；设置盖梁的过渡墩，横向力由三柱均匀分配。通过表2可以看出，在横向力作用下，仅仅由中柱承担的桥墩，造成中柱受力过大，承载能力不足，故引起墩柱开裂；设置盖梁的过渡墩，墩身承载能力安全储备均较大。计算结果与桥墩实际检测情况相符。 （2）桥梁横向位移。
本桥宽度达19m，通过计算分析，温度升降温对结构横向位移影响不大。考虑整体升温30℃，桥梁横向位移位于联端处，最大5mm，故桥梁位移主要由活载的离心力产生。本桥横向约束体系由图7示意。横向刚度由桥台、过渡墩（4、8号桥墩）及其它桥墩的中柱组成，其联端约束较强、联中约束较弱的结构体系。
在横向力作用下，桥梁将产生横向变形，并且联中产生的横向位移大于联端。由桥梁位于曲线上，在桥梁纵向制动力的作用下，也会使桥墩产生横向位移。当横向和纵向变形在桥墩的弹性变形范围内时，桥墩依靠自身的刚度可以自行恢复，但支座自身产生的变形无法恢复。支座发支座上钢板位移后，支座内橡胶体处于偏压状态，使得支座顶面由原来的平面变成向曲线外侧倾斜的斜面，在活载作用下，使支座上钢板不断外移，直至支座上钢板的限位板内侧卡死。支座限位板内侧卡死后，再产生的变形将由桥墩承担，使桥墩横向变形进一步增大，当桥墩变形超出其弹性范围后，就会导致桥墩墩身环向开裂，此时桥墩已无法恢复变形。
（3）支座的剪切计算。
本桥第二联桥联端支座型号为GPZ2.5，其它墩支座型号均为GPZ8。根据相关支座资料，GPZ2.5支座锚栓为4M16，GPZ8支座锚栓为4M32。单个M16的螺栓直接抗剪强度为16KN，一个支座抗剪强度为4x16=64KN；单个M32的螺栓直接抗剪强度为64KN，一个支座抗剪强度为4x64=256KN。从表1可看出，4号、8号桥墩离心力（横向剪力）已经大于GPZ2.5支座锚栓的抗剪强度，故导致支座锚栓剪断破坏，其它墩支座锚栓强度均大于离心力，故不会引起支座锚栓剪断破坏。
5 整治措施
针对以上病害，进行了以下加固维修处理：
（1）增强桥墩的整体性，增大桥墩的横向刚度。
增加墩顶横系梁，使横向三柱连成整体，横向力由桥墩整体进行分配，减小中柱横向力的大小，改善中柱的受力；同时墩顶系梁可作为更换支座的工作平台。
（2）更换不满足要求的支座，合理设置支座的限位方向。
对不满足要求的支座进行更换，增大螺栓直径，使之在正常使用状况下支座承载力和螺栓抗剪满足要求；对于支座吨位、锚栓强度均满足要求的支座，进行复位。考虑到温度横向变形很小，可以考虑将所有支座横向限位，以共同分担径向力，改善桥墩、支座的受力。
（3）对于出现裂缝的桥墩进行封缝、灌缝处理。经计算，增增加墩顶横系梁后，原墩身结构尺寸可满足受力要求，故无需采用增大截面、贴碳纤维布等措施。桥梁采用以上整治措施进行施工，竣工后目前已运营3年，未出现前述病害。
6 结语
通过对本桥的病害分析和处理措施，反映了设计过程中对结构受力考虑不够全面及构造的不合理。为避免同类桥梁出现类似病害，对该类桥梁在设计中应注意的问题进行总结，为同类桥梁的设计提供参考。
（1）计算模型与实际受力的不一致。
在设计计算过程中，一座桥墩的三柱同时受力，是可以满足要求的；而在设计过程中，一座桥墩的三柱并没有整体受力，使得一座桥墩中仅一个墩柱承受横向力，导致受力墩柱开裂。
（2）充分考虑曲线桥梁的受力特性，合理约束桥梁的横向位移。
曲线桥梁的受力特性决定了桥梁在活载作用下将产生离心力，该力的大小与曲线半径、行车速度、桥梁跨径均有密切关系。离心力的大小、支座的横向约束直接决定了桥梁的横向位移，故在设计过程中应综合考虑，尽可能约束桥梁的横向变位，使桥梁上下部结构形成整体，减小桥梁的横向位移。
（3）注重支座的受力验算。
支座是桥梁上下部结构的联系的重要纽带，支座的安全与否将直接影响桥梁结构的安全。设计中往往只注重支座的竖向承载力，忽略了支座的抗剪验算。本桥中就是因为离心力大于支座锚栓的抗剪强度引起的剪切破坏。引起桥梁病害的因素很多，设计中应对各影响因素进行充分、认真的考虑和判断，深入了解桥梁的受力特性，注重关节部位的构造和受力要求，确保计算模型与实际受力一致，就能大大降低桥梁的病害。
参考文献
[1] 中交公路规划设计院.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.
[2] 中交第一公路勘察设计研究院有限公司.公路桥梁加固设计规范[S].北京：人民交通出版社，2008.
[3] 范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京：人民交通出版社，1988.
[4] 项海帆，姚玲森.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，2001.
[5] 刘自明.桥梁工程养护与维修手册[M].北京：人民交通出版社，2004.
关键词：匝道桥 病害整治 措施 结构分析
中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（b）-0097-03
1 桥梁概况
某互通立交A匝道桥上跨济广高速公路，跨径组合为三联4×20m+（20+2×32+20）m+4×20m，第一、三联采用现浇钢筋混凝土连续箱梁，第二联采用现浇预应力混凝土连续箱梁，该桥中心桩号AK0+678.776，起点桩号AK0+543.556，终点桩号AK0+813.996，桥梁全长270.44 m。桥梁上跨济广高速斜交角度为60.456°。
桥梁纵面位于R=4800 m的凸形竖曲线，桥宽19.0 m，桥面横坡为单向最大6%，最大纵坡2.75%，本桥位于半径R=280 m，缓和曲线长LS=220 m的平曲线内。
桥跨布置：第一、三联采用4×20m现浇钢筋混凝土单箱四室连续箱梁，第二联采用（20+2×32+20）m现浇预应力混凝土单箱四室连续箱梁。
桥梁下部结构采用钢筋混凝土肋板式桥台，台身高分别为5.5和6.2 m，承台高1.5 m，采用6根φ1.2 m钻孔灌注桩基础。桥墩采用桩柱式桥墩，墩柱直径为φ1.3 m，桩基采用φ1.5 m桩基础。
箱梁采用C50砼；桥面铺装采用10 cm厚沥青混凝土+三涂FYT改进型防水层+8cmC50混凝土调平层；桥墩立柱、系梁、承台及防撞护墙采用C30砼；桩基采用C25砼。全桥均设置GPZ（Ⅱ）系列盆式橡胶支座；全桥四道伸缩缝均为D80型伸缩缝。
2 桥梁主要病害
通过全桥的检测，桥梁的主要病害为桥墩墩身裂缝、主梁横向位移及支座移位及破坏。
2.1 桥墩墩身裂缝
以第二联6号墩中间立柱及外侧立柱（即为远圆心侧的墩柱）圆心侧水平环向裂缝严重，最大裂缝宽度1.5 mm，裂缝位置分别位于柱底10 cm、50 cm、90 cm等共计10道，柱头径向外倾2.85 cm。
其余墩柱裂缝均出现在中间墩柱或外侧墩柱的圆心侧，距离桩顶约为0～1.5 m处，其最大裂缝宽度约为0.3 mm，最小裂缝宽度约为0.1 mm。其中第一联20道，第二联33道，第三联25道，过渡墩墩身均无裂缝。
2.2 主梁横向位移
桥梁的横向位移主要表现在外侧挡块被挤裂。全桥桥墩挡块与主梁腹板的间距均明显小于设计值5 cm，大部分挡块与主梁腹板紧贴，2、6、8号桥墩外侧挡块均发生不同程度开裂，以6号桥墩外侧挡块最为严重。
2.3 支座横向位移
本桥除固定支座外，其它单向、双向支座均不同程度发生横向位移，其中4号、8号联端墩处支座横向位移严重，均在5cm以上。
2.4 支座剪切破坏
4号、8号墩顶支座顶板外滑，造成支座底板随之滑动，垫石螺栓被剪断，垫石混凝土（外侧）压溃；垫石混凝土回弹强度大于60.0 MPa。
3 桥梁结构分析
3.1 模型的建立
以第二联为例，为了分析主梁在复杂的平曲线内各种作用下的最不利效应，结构分析采用“弯斜坡异型桥梁空间结构分析软件系统3D-BSA’2008”进行，有限元模型中采用了包括主梁、横梁、墩台身、支座、刚臂单元、桩基在内的整体结构分析模型。模型中充分考虑了施工及运营阶段的结构刚度模拟与各种荷载的作用过程，并且计入了预应力钢束对箱梁刚度的影响。为便于分析包括活载偏载效应在内的空间受力特性，采用柔性-剪力梁格理论建立模型，以用于形成桥面网格进行活载布载。活载分析中采用机动法计算内力、支反力影响面。利用二维动态规划在内力、支反力影响线上进行最不利布载。内力、支反力影响面计算中考虑了扭矩的影响，叠加竖向单位力影响面和扭矩单位力影响面，形成组合影响面。纵横向布载中，汽车车队的纵向排列和横向布置及车队荷载效应的纵横向折减系数均满足《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）中的规定。
3.2 主要分析结果
本桥主梁虽发生横向位移，但主梁各部均完好，未发生开裂、局部变形等病害，故认为主梁满足要求，仅针对桥梁病害进行相关验算。
（1）桥墩活载反力、离心力、制动力的计算。
活载按照4列车计入，制动力为442.2KN；设计时速60km/h，标准离心力系数为0.1012，离心力效应计入活载效应中，计算结果如表1。
（2）桥墩强度的计算。
桥墩墩身为圆截面，柱径1.3m，均采用28φ22，桥墩计算长度取2L（L为墩高）。桥墩弯矩由活载的离心力和制动力产生，对于两个方向的弯矩组合采用以下公式计算：，其中Mx为顺桥向弯矩，My为横桥向弯矩。计算结果如表2。
4 桥梁主要病害分析
4.1 病害分析
（1）桥墩墩身裂缝。
本桥采用三柱式桥墩，墩顶无横系梁，横向三柱不能形成横向共同受力。从表1可以看出，凡是柱顶无联系的桥墩（见图1桥型布置图平面），离心力均由中柱承担，边柱不参与横向力的分配；设置盖梁的过渡墩，横向力由三柱均匀分配。通过表2可以看出，在横向力作用下，仅仅由中柱承担的桥墩，造成中柱受力过大，承载能力不足，故引起墩柱开裂；设置盖梁的过渡墩，墩身承载能力安全储备均较大。计算结果与桥墩实际检测情况相符。 （2）桥梁横向位移。
本桥宽度达19m，通过计算分析，温度升降温对结构横向位移影响不大。考虑整体升温30℃，桥梁横向位移位于联端处，最大5mm，故桥梁位移主要由活载的离心力产生。本桥横向约束体系由图7示意。横向刚度由桥台、过渡墩（4、8号桥墩）及其它桥墩的中柱组成，其联端约束较强、联中约束较弱的结构体系。
在横向力作用下，桥梁将产生横向变形，并且联中产生的横向位移大于联端。由桥梁位于曲线上，在桥梁纵向制动力的作用下，也会使桥墩产生横向位移。当横向和纵向变形在桥墩的弹性变形范围内时，桥墩依靠自身的刚度可以自行恢复，但支座自身产生的变形无法恢复。支座发支座上钢板位移后，支座内橡胶体处于偏压状态，使得支座顶面由原来的平面变成向曲线外侧倾斜的斜面，在活载作用下，使支座上钢板不断外移，直至支座上钢板的限位板内侧卡死。支座限位板内侧卡死后，再产生的变形将由桥墩承担，使桥墩横向变形进一步增大，当桥墩变形超出其弹性范围后，就会导致桥墩墩身环向开裂，此时桥墩已无法恢复变形。
（3）支座的剪切计算。
本桥第二联桥联端支座型号为GPZ2.5，其它墩支座型号均为GPZ8。根据相关支座资料，GPZ2.5支座锚栓为4M16，GPZ8支座锚栓为4M32。单个M16的螺栓直接抗剪强度为16KN，一个支座抗剪强度为4x16=64KN；单个M32的螺栓直接抗剪强度为64KN，一个支座抗剪强度为4x64=256KN。从表1可看出，4号、8号桥墩离心力（横向剪力）已经大于GPZ2.5支座锚栓的抗剪强度，故导致支座锚栓剪断破坏，其它墩支座锚栓强度均大于离心力，故不会引起支座锚栓剪断破坏。
5 整治措施
针对以上病害，进行了以下加固维修处理：
（1）增强桥墩的整体性，增大桥墩的横向刚度。
增加墩顶横系梁，使横向三柱连成整体，横向力由桥墩整体进行分配，减小中柱横向力的大小，改善中柱的受力；同时墩顶系梁可作为更换支座的工作平台。
（2）更换不满足要求的支座，合理设置支座的限位方向。
对不满足要求的支座进行更换，增大螺栓直径，使之在正常使用状况下支座承载力和螺栓抗剪满足要求；对于支座吨位、锚栓强度均满足要求的支座，进行复位。考虑到温度横向变形很小，可以考虑将所有支座横向限位，以共同分担径向力，改善桥墩、支座的受力。
（3）对于出现裂缝的桥墩进行封缝、灌缝处理。经计算，增增加墩顶横系梁后，原墩身结构尺寸可满足受力要求，故无需采用增大截面、贴碳纤维布等措施。桥梁采用以上整治措施进行施工，竣工后目前已运营3年，未出现前述病害。
6 结语
通过对本桥的病害分析和处理措施，反映了设计过程中对结构受力考虑不够全面及构造的不合理。为避免同类桥梁出现类似病害，对该类桥梁在设计中应注意的问题进行总结，为同类桥梁的设计提供参考。
（1）计算模型与实际受力的不一致。
在设计计算过程中，一座桥墩的三柱同时受力，是可以满足要求的；而在设计过程中，一座桥墩的三柱并没有整体受力，使得一座桥墩中仅一个墩柱承受横向力，导致受力墩柱开裂。
（2）充分考虑曲线桥梁的受力特性，合理约束桥梁的横向位移。
曲线桥梁的受力特性决定了桥梁在活载作用下将产生离心力，该力的大小与曲线半径、行车速度、桥梁跨径均有密切关系。离心力的大小、支座的横向约束直接决定了桥梁的横向位移，故在设计过程中应综合考虑，尽可能约束桥梁的横向变位，使桥梁上下部结构形成整体，减小桥梁的横向位移。
（3）注重支座的受力验算。
支座是桥梁上下部结构的联系的重要纽带，支座的安全与否将直接影响桥梁结构的安全。设计中往往只注重支座的竖向承载力，忽略了支座的抗剪验算。本桥中就是因为离心力大于支座锚栓的抗剪强度引起的剪切破坏。引起桥梁病害的因素很多，设计中应对各影响因素进行充分、认真的考虑和判断，深入了解桥梁的受力特性，注重关节部位的构造和受力要求，确保计算模型与实际受力一致，就能大大降低桥梁的病害。
参考文献
[1] 中交公路规划设计院.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.
[2] 中交第一公路勘察设计研究院有限公司.公路桥梁加固设计规范[S].北京：人民交通出版社，2008.
[3] 范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京：人民交通出版社，1988.
[4] 项海帆，姚玲森.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，2001.
[5] 刘自明.桥梁工程养护与维修手册[M].北京：人民交通出版社，2004.