0 引言

近年来随着通行需求的不断增加以及地形、线路等客观条件的需要，柔性高墩连续梁桥得到了广泛应用，但长期运营中此类桥梁病害的发生也屡见不鲜^[1-3]。重庆石忠高速李家湾大桥、湖南郴宁高速公路桥梁等^[4-5]在长期运营状态下均出现不同程度的支座滑移与墩柱倾斜等病害。支座滑移与墩柱倾斜病害直接影响桥墩的受力和稳定性能，严重威胁桥梁的安全运营^[6-7]，学者们也针对此类病害的成因以及相应加固措施开展了一系列研究^[8]。李德郁^[9]对山区高速公路先简支后连续梁桥进行了调查分析，认为支座摩擦系数、桥墩刚度是支座滑移及桥墩倾斜的主要影响因素。马超霞^[10]采用能量法解决了考虑多种约束边界条件下桥梁高墩水平位移的理论求解问题，并认为地基弹性变形与支座摩阻力对墩顶水平位移有不可忽视的影响。冯忠居^[11-12]通过现场监测对在堆载条件下软土地基侧向位移模式与变形规律进行了分析，提出了预应力纠偏以及刚性长短桩的加固措施。王永林^[13]针对某特大桥单侧集中填土导致的墩顶偏位等病害进行分析研究，并对受损桥墩采取承台植筋加固及补桩等措施。

众多学者对高墩桥梁的桥墩倾斜病害成因进行了广泛研究，但目前的研究主要集中在成桥后的运营阶段，对于桥梁施工阶段的影响研究较少，实测数据样本较少，缺乏对各项影响因素的综合分析比较。本研究结合广东某高速公路高墩匝道桥病害情况，通过实测病害数据与数值模拟对比，综合分析施工阶段与运营阶段中可能引起墩柱倾斜的主要因素，并提出相应的维修加固措施，为类似桥梁病害分析研究提供参考。

1 工程概况

广东某高速公路互通匝道桥为高墩连续梁桥，位于半径160 m的圆曲线及缓和曲线上，上部结构第9联为3×30 m预应力混凝土连续箱梁，第10联为(28+52+26) m钢箱梁，第11联为(25+35)m预应力混凝土连续箱梁，如图 1所示。桥梁下部结构采用花瓶桥墩及桩柱式桥墩，墩高在28~31 m之间，桩基础采用钻孔灌注桩。

2 病害数据调查

为反映结构真实病害状况，准确分析病害成因，对该匝道桥病害进行了全面调查，主要包括墩柱倾斜量、支座滑移量以及各联主梁梁端间距等。检测时室外温度为19 ℃，与设计基准温度20 ℃基本一致，实测数据温度影响较小。

2.1 墩柱倾斜状况

对匝道桥第9~11联的27^#~35^#桥墩(其中28^#，29^#，34^#为固结墩)倾斜量进行测量，各墩柱目前状况良好，未见裂缝、混凝土缺陷等病害，各墩柱墩顶位移量(沿弧长方向)如表 1所示。

由表 1可知，第9联中27^#~29^#墩均往大里程方向偏移，而30^#墩往小里程方向偏移，最大偏移量达120.4 mm；第10联中31^#与32^#墩偏移方向相反；第11联中33^#，35^#墩均往大里程方向偏移，34^#固结墩往小里程方向偏移，偏移量达114.8 mm。

2.2 支座滑移状况

支座滑移主要由支座安装后墩柱偏移以及运营阶段荷载作用下梁体位移造成，一般采用支座钢板的划痕长度来表征支座滑移历程。

第9~11联匝道桥桥墩支座中仅过渡墩30^#，33^#墩顶支座存在滑移现象，滑移情况如表 2所示。由表 2可知，30^#，33^#墩顶支座滑移量已超出设计限值±10 cm，其中第9联30^#墩顶支座滑移量最大，达15 cm。

2.3 主梁梁端间距

为了判断上部结构梁体是否发生纵移，实测了第9~11联相邻联主梁梁端之间的纵桥向距离及主梁梁端与盖梁中心线的纵桥向距离，如表 3所示。

由表 3可知，27^#墩与35^#墩处主梁梁端间距正常，30^#墩与33^#墩处主梁梁端间距较大。30^#墩处第9联主梁梁端已超过盖梁中心线80 mm，第10联主梁相对盖梁中心线往大里程方向发生偏移，符合30^#墩往小里程方向倾斜发展趋势；33^#墩处第10联主梁相对盖梁中心线往大里程方向发生偏移，符合33^#墩往大里程方向倾斜发展趋势。

3 柔性高墩倾斜影响因素分析

为探寻柔性高墩连续梁桥墩柱倾斜病害的形成原因，笔者从恒载偏心作用、支座摩阻力、不对称堆载3个主要影响因素对柔性高墩倾斜进行分析。

3.1 恒载偏心作用分析 3.1.1 全桥有限元模型

为分析桥梁结构在施工与运营过程中的真实受力状态，明确墩柱倾斜的发展历程和影响因素，对第9~11联匝道桥进行数值模拟分析，采用有限元软件Midas Civil建立考虑桥梁实际线形和施工阶段的空间杆系模型，如图 2所示。模型中主梁、墩柱、承台及桩基均按结构实际尺寸模拟，混凝土主梁采用C50混凝土，桥墩系梁、墩柱及承台采用C30混凝土，桩基采用C25混凝土，第10联钢箱梁采用Q345钢材。纵向预应力采用17φ^s15.2 mm，15φ^s15.2 mm，5φ^s15.2 mm这3种规格。一恒按结构实际重量计算，混凝土主梁二恒取48.1 kN/m，钢主梁二恒取47.8 kN/m。模型中主梁边界条件与支座布置一致，并采用“m”法模拟桩-土相互作用。施工阶段模拟与实际施工步骤保持一致。

3.1.2 恒载偏心受压作用下墩柱的倾斜偏位

墩柱恒载偏心受压是引起墩身倾斜最直接的因素，影响程度的大小一方面与上部结构不对称荷载的大小以及支座偏心距设置相关，另一方面与墩柱本身长细比相关。

30^#和33^#墩柱，在成桥阶段恒载作用下承受较大的不对称荷载。由于混凝土侧支反力接近是钢梁侧支反力的2倍，如图 3。同时设计状态下，混凝土侧支座偏心距89 cm，钢梁侧支座偏心距54 cm，偏心距的差异导致墩柱承受更大偏心荷载。

如图 4所示，30^#，33^#过渡墩两侧上部结构箱梁的不同步施工使2墩在施工过程中处于偏心受压状态，产生较大的倾斜偏位，墩顶纵桥向位移分别产生了85 mm与74 mm的纵向偏位。第10联钢箱梁吊装后，分担了墩顶部分不平衡反力，30^#，33^#墩顶位移相应减小31 mm，16 mm。然而30^#与33^#墩在施工阶段产生的残余变形使其在运营阶段中长期处于偏心受压状态，混凝土收缩徐变效应加剧了墩柱倾斜，成桥10 a状态下，30^#和33^#墩墩顶纵桥向位移已分别累积到193 mm和141 mm。

3.1.3 支座安装偏差对墩柱倾斜的影响分析

第9联和第11联均为混凝土连续梁，结构支反力较大，若过渡墩处支座安装错位，是否会引起墩柱的纵桥向位移，本节以30^#墩柱为例，考虑其混凝土侧支座施工安装位置纵桥向偏差±1 cm，±2 cm，±3 cm，定量分析支座施工安装偏差对墩柱倾斜变形的影响。

图 5给出了各关键施工阶段30^#墩柱纵桥向位移量与支座安装偏差的关系曲线。由图可知，支座安装偏差与墩柱纵桥向位移量接近线性关系，随着施工的推进，关系曲线斜率也逐渐增大。成桥状态下，支座纵桥向安装偏差3 cm导致墩柱位移9 mm，变化幅度约为3 mm/1 cm，可见支座安装偏差对墩柱的倾斜变形影响较小。主要是由于支座安装偏差量远小于支座设计偏心距，由其产生的偏心力矩对墩柱变形影响有限。

3.1.4 结构混凝土时变特性及重力二阶效应p-Δ的影响分析

为研究p-Δ效应和时变效应对墩柱倾斜的影响，本节以30^#墩顶偏位在不同分析条件(考虑时变效应或p-Δ效应)下与线性计算结果进行对比，如表 4所示。可以看出，由于30^#柱处于偏心受压状态且墩柱较高，p-Δ效应和时变效应共同作用对墩顶纵桥向位移有较大影响。

3.2 支座摩阻力对墩柱倾斜变形的影响分析 3.2.1 Abaqus支座接触分析模型

本桥恒载偏心作用下墩柱产生明显纵桥向位移，导致支座发生较大的滑动量，由于墩柱长细比较大，支座的摩阻力对墩柱纵向偏移的影响是不可忽略的^[14-15]。本节以30^#墩为例，结合病害现状调查数据，通过Abaqus接触分析模型来分析支座摩阻力对墩柱倾斜变形的影响，有限元模型如图 6所示。

建立墩柱、盖梁及支座顶底板的Abaqus实体模型，支座顶底板定义硬接触模拟支座滑动时产生的摩阻力，支座上顶板施加上部结构反力。

3.2.2 基于Abaqus支座接触模拟的墩柱倾斜变形分析

以混凝土梁落架而钢梁未上工况为例，30^#墩柱在恒载偏心作用下产生较大的纵桥向位移，不考虑支座摩阻力下墩顶纵桥向位移-79 mm，考虑支座摩阻力时墩顶纵桥向位移为-28 mm，如图 7所示。因此，支座摩阻力引起的墩柱位移量为51 mm，方向与位移趋势相反。在进一步考察后续阶段的墩柱倾斜位移量发现，支座摩阻力产生的位移量变化较小，基本处于平稳状态。

3.3 河道淤泥开挖及填土堆载对墩柱倾斜偏位的影响分析 3.3.1 Abaqus土体弹塑性模型

根据施工记录及现场调查得知，30^#墩施工过程中有不对称填土堆积，且通车后对河道清淤开挖，桥墩两侧填土高度在顺桥向存在明显高差。软土地基上的堆载会使地基产生蠕变，容易产生侧向推挤作用，对邻近桥梁的桩基及墩柱产生较大的影响^[16-17]，因此需研究不对称填土堆载对墩柱倾斜变形的影响。为了准确考虑软土地基变形对墩柱倾斜的影响，采用Abaqus建立考虑土体弹塑性本构的有限元模型，如图 8所示，分析不对称堆载作用下墩柱的倾斜变形。

3.3.2 桩土侧向刚度参数对墩柱倾斜影响的敏感性分析

对于软弱地基，土体的水平抗力不足是影响墩柱偏斜的因素之一^[18-19]。由于地基水平抗力系数取值的影响因素较多，变化范围较大，沿桩身的分布规律较为复杂，本节主要通过参数的敏感性分析来考察本桥桩基础堆积较厚的淤泥和淤泥质土的对墩柱偏位的影响，从而判断软弱地基是否是影响墩柱偏移的主要因素，以及桩土侧向刚度参数变化对墩柱偏位的影响。

分析中考虑桩土侧向刚度参数按照规范取值的1.0和0.8。分析结果如表 5，可以看到，桩土侧向刚度参数变化对墩柱顶纵桥向位移并没有太大的影响，在刚度折减0.8时，该桥墩柱偏移影响量在3 mm以内。

3.3.3 基于土体弹塑性本构模型的不对称堆载影响分析

模型中在桩基一侧挖出宽9.2 m，深2 m沟槽来模拟河道清淤开挖工况；在距桩基另一侧0.25 m处堆载宽20 m，长10 m，高2 m土体来模拟填土堆载工况，桥墩墩柱纵桥向位移在不同工况下的分布如图 9所示。

由图 9可知，桥墩墩柱纵桥向位移由下而上呈非线性增加，墩顶处位移最大。沟槽开挖工况使得桥墩墩身的水平位移略有增加，但影响有限；不对称填土堆载工况对桥墩纵桥向位移影响较大，堆载后桥墩水平位移明显增加，墩顶纵桥向位移量增加约30 mm。

3.4 小结

过渡墩两侧主梁先后施工使其长时间处于较大的偏心受压状态，发生较大的倾斜变形；同时过渡墩长期处于偏心受压状态且墩柱较高，p-Δ效应和时变效应对墩顶纵桥向倾斜偏位有较大的影响。支座摩阻力对墩柱倾斜偏位有一定的抑制作用。桥墩两侧不对称填土堆载对其纵向位移影响较大。

4 墩柱倾斜成因分析

以第10联为例，基于上一章节针对柔性高墩倾斜偏位的影响因素分析结果，考虑偏心受压以及p-Δ效应和时变效应、支座摩阻力、桥墩两侧不对称填土堆载等因素的影响，考虑施工过程的影响，进行有限元数值模拟分析，结合实测数据进行对比，综合分析墩柱倾斜病害的成因，图 10所示第10联病害现状数据调查结果与数值模拟结果的对比验证。

(1) 支座划痕长度

由表 6可知，30^#，33^#墩顶的支座滑痕理论计算长与实测滑痕长度基本吻合，支座滑痕的数值模拟与病害现状数据趋势一致，数值模拟结果略偏小的原因在于支座实际偏心距与设计偏心距有偏差。

(2) 墩柱倾斜变形

由表 7可知，30^#，33^#墩柱理论计算倾斜位移方向和实测位移趋势一致，数值略有偏差的原因在于支座实际偏心距与设计偏心距有偏差。

通过理论分析与实测数据对比可知，该桥墩柱长细比较大，第9，11联混凝土梁早于第10联钢箱梁施工，使得30^#，33^#过渡墩在施工过程中处于较大的偏心受压状态，发生倾斜变形；另一方面，30^#，33^#墩柱混凝土侧支反力比钢梁侧大，且混凝土箱梁侧支座偏心距大于钢箱梁侧，使得成桥运营阶段恒载作用下墩柱仍处于较大的偏心受压状态；此外，30^#墩底软土地基上不对称堆载对墩柱的倾斜变形也有影响，多重因素影响下，使得过渡墩倾斜偏位较大。

5 柔性高墩倾斜加固处治 5.1 桥墩倾斜纠偏

30^#，33^#墩柱倾斜程度较严重，由于这些墩柱倾斜的成因主要为上部结构偏心受压产生，因此维修策略为调整上部结构的支撑位置，对30^#，33^#墩柱进行纠偏复位，减小墩柱恒载下的不对称弯矩。

桥墩纠偏的主要设计原则是：在偏位桥墩墩顶盖梁上施加一个水平推力，水平推力通过纠偏系统提供，纠偏顶推施工过程中，上部结构主梁基本不发生位移，墩柱在逐级荷载作用下产生复位位移从而逐步将偏位的桥墩纠正。按照荷载作用的模式可以采用自平衡纠偏系统和外部顶推纠偏系统。

顶推力主要是克服梁体自重对支座的摩擦力以及墩柱的偏位弯曲后可能产生的附加力。30^#墩柱上部主梁及铺装支反力共5 464 kN，33^#墩柱上部结构主梁及铺装支反力共4 869 kN，考虑1.1超荷系数，四氟板与不锈钢板的表面摩擦系数不大于0.03。经计算，30^#墩摩阻推力F_30^#为180 kN，33^#墩摩阻推力F_33^#为160 kN，故设置2台30 t千斤顶进行顶推纠偏，考虑千斤顶0.8效力系数，则2台千斤顶共提供480 kN推力。

5.2 支座系统调整

30^#墩和33^#墩上各4个支座，由于支座滑移超限，需要对支座进行更换。待墩柱纠偏施工完毕后，拆除顶推纠偏系统，顶升上部结构梁体，复测支座位置并更换支座，安装永久性限位装置。

通过有限元分析，在支座更换的同时对支座偏心距适当调整，将支座偏心距89 cm(混凝土侧)+54 cm(钢梁侧)调整为55 cm(混凝土侧)+80 cm(钢梁侧)，见图 11，可以使得30^#和33^#墩柱的倾斜程度分别减小49 mm和40 mm，效果较好，能够在实际加固改造中应用。

5.3 关键构件病害处治

除了墩柱加固改造，对现场跟踪调查中发现的支座滑移量较大、伸缩缝病害等均需要根据实际情况采取相应的处置方法，以保证桥梁结构在运营过程中的安全性。

6 结论

本研究以广东某高速公路互通匝道桥墩柱倾斜为研究对象，研究了柔性高墩倾斜偏位的影响因素，并对该桥倾斜成因进行了分析，得到以下结论：

(1) 墩柱恒载偏心受压是引起墩身倾斜最直接的因素，且在长期偏心受压状态下重力二阶效应和时变效应使得墩柱倾斜进一步加剧。建议高墩桥梁在设计过程中应考虑恒载偏心受压对墩柱倾斜的影响，避免墩柱承受较大的不对称荷载。

(2) 不对称填土堆载对桥墩纵桥向位移影响较大，桥梁养护单位在管养过程中应避免桥墩附近不对称的填土堆载或开挖。

(3) 支座摩阻力对墩柱倾斜偏位有一定的抑制作用；支座安装偏差对墩柱的倾斜变形影响较小。

(4) 柔性高墩倾斜的加固处治措施主要有桥墩倾斜纠偏、支座偏心调整、支座伸缩缝病害处治等方面。