桥梁梁端垃圾对桥梁结构影响分析

桥梁梁端垃圾对桥梁结构影响分析

禹鹏

重庆高速公路集团有限公司东北营运分公司401120

摘要：桥梁梁端垃圾是指存在于桥梁主梁梁端自由变形缝内的水泥混凝土、沥青混凝土残渣及水稳层等建筑材料，主要是因桥面伸缩缝安装时产生的废弃物直接下漏至盖梁或台帽顶部堆积而成。桥梁梁端垃圾的主要成分与桥面铺装材料直接相关，体量与伸缩缝的施工工艺有关。一般情况下，桥梁梁端垃圾能够占据整个梁端间隙空间的1/4~2/3左右，严重影响了桥梁结构在温度上升时自由变形的能力，是桥梁结构存在的重大安全隐患。本文结合实际工程对桥梁梁端垃圾对桥梁结构影响进行分析。

关键词：桥梁梁端垃圾；桥梁结构；影响

沪蓉高速（G42）重庆境内巫山至万州段共14座特大桥在2014年定期检查中发现桥梁梁端间隙存在不同程度的施工垃圾堆积现象。部分桥梁的桥墩或桥台已出现相关病害，初步分析病害产生原因与桥梁梁端垃圾有密切关系。下面以路段上的汤溪河特大桥和银窝滩大桥为例，分析桥梁梁端垃圾对桥梁结构的影响。

1梁端垃圾现状

从现场检查结果来看，梁端垃圾的主要成分分为3类：1）沥青混凝土残渣；2）块状水泥混凝土；3）台后水稳层。不同位置处的梁端垃圾各成分所占比例不同，例如在过渡墩盖梁顶部的梁端垃圾，沥青混凝土残渣是主要成分；在台帽顶部的梁端垃圾，块状水泥混凝土和台后水稳层是主要成分。梁端垃圾的体积与对应桥面伸缩缝施工时的工艺相关，往往安装伸缩缝越宽，其产生的梁端垃圾越多。

对于大桥和特大桥而言，其跨径大主梁长度长，因而梁端垃圾对其影响也较为显著。然而对于不同结构形式的大桥和特大桥而言，梁端垃圾对其造成的影响也是不同的。从检查结果来看，可以分成两种情况：1）主桥梁端均位于过渡墩上，且过渡墩墩顶均存在梁端垃圾；2）主桥梁端均位于桥台上，且台帽顶部均存在梁端垃圾。典型的实例分别是汤溪河特大桥和银窝滩大桥。

1.1汤溪河特大桥

G42沪蓉高速重庆境内奉节—云阳段存在一座汤溪河特大桥，该桥主桥为预应力混凝土连续刚构结构，跨径组合为130m+230m+130m。下部结构主墩和过渡墩均为钢筋混凝土变截面空心墩，主桥两侧过渡墩高度分别为73m和70m。主桥箱梁采用C65混凝土，主墩及过渡墩墩身、盖梁均采用C40混凝土。

该桥主引桥交界墩顶在2014年检查发现：梁端间隙内均存在施工垃圾堵塞现象。

汤溪河特大桥左右幅主桥两侧梁端均存在垃圾堆积，垃圾的主要成分是沥青混凝土，其中在L7#墩顶和R7#墩顶梁端垃圾占据了整个梁端间隙的1/3；在L10#墩顶和R10#墩顶梁端垃圾占据了整个梁端间隙的1/2。现场发现各处梁端垃圾均挤压密实。梁端间隙垃圾堆积现状见照片21、照片22。

1.2银窝滩大桥

G42沪蓉高速重庆境内巫山—奉节段内银窝滩大桥的结构形式是预应力混凝土连续-刚构箱梁，桥梁跨径组合为30m+30m+60m+110m+60m+30m。主桥两端均位于桥台上。主桥箱梁采用C55混凝土，主墩采用C50混凝土，桥台采用C30混凝土。

在2014年定期检查过程中发现：该桥0#及6#桥台顶，梁端间隙内均被施工垃圾堵塞。施工垃圾主要成分为桥面水稳层、沥青混凝土及水泥混凝土残渣。施工垃圾堆积高度占据了整个梁端间隙的1/2。现场发现各处梁端垃圾均挤压密实。具体见照片23~照片25。

2梁端垃圾对桥梁结构的影响分析

梁端垃圾的存在将对桥梁主梁的自由伸长起到阻碍作用，现结合两座不同结构形式的桥梁，分析梁端垃圾对桥梁结构的影响。

2.1梁端垃圾位于桥梁交界墩顶

2.1.1有限元模型分析

利用MIDAS建立汤溪河特大桥主桥有限元模型，主桥及过渡墩模型采用杆系结构用梁单元模拟，梁端垃圾模型用梁单元来模拟，其弹性模量按沥青混凝土弹性模量取值。主要材料取值如表3-1，有限元模型图及梁端垃圾模拟图见图3-1~图3-2。

2.1.1.1分析梁端垃圾挤压密实程度对桥梁结构的影响

梁端垃圾产生时较为松散，初期对主梁在升温时向两侧伸展产生的阻力较小。随着主梁对梁端垃圾的挤压，其密实程度增加，强度也随之增加，对主梁变形产生的阻力也会明显增大。本节分析当梁端垃圾弹性模量变化时，梁端过渡墩偏位值的变化规律。模拟的温度变化为升温20℃。

从以上数据分析中可以看到，当梁端垃圾的弹性模量在2MPa~1200MPa范围内时，过渡墩的偏位值和墩顶反力变化不大。当梁端垃圾的弹性模量为0.2MPa时，墩顶偏位值和反力都大幅度减小，此时梁端间隙值减小。

当梁端垃圾的轴向刚度远大于主墩墩顶的水平刚度时，可以认为梁端施工垃圾不被压缩，当梁端垃圾的轴向刚度接近或小于主墩墩顶的水平刚度时，可以认为梁端垃圾的存在对主墩墩顶偏位值得影响不大。

从实际检测结果来看，梁端间隙值未见明显变化，且结合实际现场经验，判断梁端垃圾的弹性模量远大于20MPa，故认为梁端垃圾将直接影响主墩墩顶的偏位值。

2.1.1.2分析梁端垃圾在温度变化时对桥梁结构的影响

考虑当梁端垃圾挤压密实后，温度升高时，分析过渡墩墩顶偏位值和对主梁反力值的变化规律。在梁端垃圾的弹性模量取1200MPa级时，分别计算温度升高1℃、5℃、10℃和20℃时，过渡墩墩顶的偏位值和对主梁的反力。计算结果见表3-3。

分析以上数据表明，墩顶偏位值及反力与温度变化线形关系明显，因此可以通过线形内插求得其他温度下的墩顶偏位值和反力。

2.1.2实测数据和理论计算结合分析

分别再冬季和夏季对过渡墩墩顶测点进行测量，测量结果显示在升温23℃时，左侧墩顶偏位值为-45mm，右侧墩顶的偏位值为47mm。测量结果与计算结果接近，并且在夏季定期检查中发现，过渡墩墩顶引桥侧支座上钢板均向主桥侧发生大幅度滑移。说明，梁端垃圾的存在对过渡墩墩顶的偏位有显著的影响。

2.2梁端垃圾位于桥梁桥台顶

2.2.1有限元模型分析

利用MIDAS建立银窝滩大桥主桥的有限元模型，主桥模型采用杆系结构用梁单元模拟，梁端垃圾模型用梁单元来模拟，一端边界固定，另一端与主梁连接，其弹性模量参考沥青混凝土弹性模量取值。主要材料取值如表3-4，有限元模型图及梁端垃圾模拟图见图3-3~图3-4。

2.2.1.1分析梁端垃圾挤压密实程度对桥梁结构的影响

梁端垃圾的密实程度直接影响其弹性模量，当梁端垃圾位于桥台时，主梁在温度升高时将直接挤压梁端垃圾。台帽顶部梁端垃圾所承受的轴向压力远大于过渡墩墩顶梁端垃圾所承受轴向压力。分析台帽顶部梁端垃圾弹性模量取不同值时，分析梁端位移和梁端反力的变化规律。

从以上数据分析可知，当梁端垃圾的弹性模量小于或接近20MPa时，对梁端位移的阻碍作用较小，梁端产生反力较小。

从现场实测数据来看，梁端间隙并未见明显变化，结合现场实际经验判断，梁端垃圾的弹性模量应远大于20MPa。根据截面折减和梁端垃圾的形成过程，认为其可以用弹性模量200MPa级来模拟。

2.2.1.2分析梁端垃圾在温度变化时对桥梁结构的影响

当梁端垃圾弹性模量取200MPa级时，分析当温度升高1℃、5℃、10℃、15℃、20℃和25℃时，桥梁梁端的顺桥向位移和梁端反力。

从以上数据分析可以看出，梁端顺桥向的位移和梁端反力与温度变化线形相关。其他温度变化下的梁端位移和梁端反力可以通过线性内插求得。

2.2.2实测数据和理论计算结合分析

从冬季和夏季的监测数据来看，在升温26℃的条件下，左侧梁端顺桥向位移值为12mm；右侧梁端顺桥向位移值10mm。实际测量结果与理论计算值大致接近，说明梁端位移受到梁端垃圾的阻碍。同时，在夏季定期检查中发现，两侧桥台背墙在梁端附近出现环向裂缝，明显是由于背墙所受压力过大而造成的。

3结论

综上所述，梁端垃圾对桥梁结构的主要影响有以下几点：

1）当梁端垃圾位于过渡墩墩顶时，将直接影响过渡墩顶的竖直度，导致过渡墩顶支座出现纵向滑移。

2）当梁端垃圾位于桥台顶部时，将直接影响台背受力，严重时将致使台背倾斜、开裂。

因此有必要改善伸缩缝的施工工艺，从根源上避免梁端垃圾的产生。