預制小箱梁板式橡膠支座布置方案分析

吳玉財，張 勇

(1.廣東省高速公路有限公司，廣東廣州 510100;2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

預制小箱梁是公路橋梁設計中被廣泛采用的結構形式，以往設計中單片梁一般采用四支座的布置方案，即在梁的每端設兩個支座。根據在役橋梁的病害調查結果，由于施工誤差的存在，四支座布置方案會不可避免地引起支座出現局部脫空病害，部分橋梁甚至出現整體脫空及滑移病害，使小箱梁呈現“三條腿”的支承狀態，導致小箱梁的受力狀態偏離原設計，嚴重時支承狀態的改變將引發小箱梁產生結構性病害。目前預制小箱梁四支座布置方案引起的支座病害呈現逐年增多的趨勢，已成為該類結構的常見病害和多發病害。通過優化支座布置方案以解決此類結構的支座病害，是目前設計人員廣泛關注的技術問題。

本文以廣東省交通科技項目《新建高速公路橋梁支座配套技術研究》(2010-02-019)為依托，開展預制小箱梁支座布置方案研究，提出了相應的工程對策，以消除以往支座布置方式引起的支座病害，使結構的支承狀態及受力狀態符合設計要求。

1 支座布置方案選擇

1.1 支座布置方案

對于小箱梁而言，以下兩種支座布置方案是可供選擇的。

方案一:三支座布置方案。

采用三支座布置方案時，預制小箱梁一端采用兩個支座，另一端采用一個支座，理論上三個支承點可以確定一個支承面，確保支座與梁體底面接觸密實。對于多片式預制小箱梁而言，各片梁采用三支座布置方案時應錯開布置，即一端單支座和雙支座間隔布置，另一端雙支座和單支座間隔布置，支座布置方案如圖1所示。

圖1 三支座布置方案示意

方案二:兩支座布置方案。

采用兩支座布置方案時，預制小箱梁每端均采用一個支座，支座布置方案如圖2所示。

圖2 兩支座布置方案示意

1.2 支座布置方案比選

針對上述兩種支座布置方案，進行小箱梁與橫隔梁受力影響分析。橫隔梁關鍵截面應力影響線計算結果表明，邊梁內腹板與橫隔梁相交截面及橫隔梁中間截面對支座布置方案不敏感，兩種支座布置方案橫向應力影響線差別不大;但端橫梁與中間小箱梁腹板相交截面橫向應力影響線因支座布置方案不同有所不同，從總的規律來看，單支座布置方案較三支座布置方案對端橫梁受力更有利，然而單支座布置方案將加大支座規格型號。

由于三支座方案需要采用不同規格型號支座，因此同一支承端支座的剪切剛度將有所不同，這樣勢必導致各支座承擔的水平力會有所差異，難以發揮多片式梁采用板式橡膠支座時反力分散系統的優勢;此外，由于支座規格型號的不同，預制梁底調平塊和支承墊石的平面尺寸及高度隨著支座型號的不同而變化，這樣勢必加大施工難度和管理難度，增大支座安裝時出現錯誤的概率。

綜上所述，從橫隔梁受力及施工可操作性來看，多片式預制小箱梁采用兩支座布置方案較三支座布置方案更具有優勢。

2 影響分析

預制小箱梁采用兩支座布置方案時對結構的影響分析包括兩個方面，一方面為對結構受力的影響，另一方面為對結構構造的影響。

2.1 結構受力影響

以25 m小箱梁為例，與四支座布置方案對比，分析兩支座布置方案對結構的影響，其兩者布置方案的計算模型如圖3所示。計算時分別在小箱梁跨中和端橫梁處作用100 kN可橫向移動的豎向荷載，考察小箱梁在兩種不同支座布置方案下跨中截面彎矩分配、梁體扭矩及支點剪力分配的差異，分析小箱梁采用兩支座方案后結構受力的變化情況。

圖3 兩支座及四支座布置方案計算模型

1)跨中截面彎矩

對于簡支梁而言，當跨中截面作用集中力p為100 kN時，跨中截面產生的彎矩為 pL/4=100×24.94/4=623.5 kN·m。兩種支座布置方案下小箱梁跨中截面計算彎矩分配情況分別如表1和表2所示。

表1 兩支座方案跨中截面彎矩分配 kN·m

表2 四支座方案跨中截面彎矩分配 kN·m

從表1、表2可以看出，各箱梁跨中截面彎矩之和與理論計算彎矩略有差別，差別為3.3%左右。從兩種支座布置方案下各梁跨中截面彎矩分配對比來看，采用兩支座方案時對小箱梁跨中截面彎矩影響較小，兩種方案下跨中截面彎矩基本一致。

2)最大扭矩

小箱梁跨中截面作用100 kN集中力時，兩種支座布置方案下小箱梁最大計算扭矩分別如表3和表4所示。

表3 兩支座方案小箱梁最大扭矩 kN·m

表4 四支座方案小箱梁最大扭矩 kN·m

從表3、表4可以看出，相對于兩支座方案而言，采用四支座方案時小箱梁承受的最大計算扭矩要大，對梁體受力不利。

3)支點剪力

計算結果表明，采用兩支座方案或四支座方案時，支點剪力橫向分布均符合三角形分布，且兩種方案支點剪力橫向分布一致。

綜合上述計算可知，預制小箱梁采用兩支座布置方案后，梁體跨中截面彎矩及支點剪力與四支座布置方案基本一致，最大扭矩有所減小，梁體抗扭更為有利。因此，預制小箱梁采用兩支座布置方案是可行的。

2.2 結構構造影響

預制小箱梁采用兩支座布置方案后，與以往四支座布置方案相比，支座的平面尺寸將顯著增大，小箱梁的局部構造亦應進行相應的調整。與交通運輸部部頒小箱梁標準圖(采用四支座布置方案)對比可知，依托工程小箱梁采用兩支座布置方案后，對小箱梁支點附近截面局部構造進行了如下改進:

1)部頒標準圖支點處實心段長度為50 cm，依托工程小箱梁實心段長度為52.5 cm;

2)部頒標準圖支點處端橫隔板厚度為25 cm，依托工程小箱梁支點處端橫隔板厚度為30 cm。

實體分析結果表明，依托工程小箱梁支點處實心段長度和端橫隔板厚度增大后，小箱梁底板及橫隔板受力可以滿足兩支座布置方案的要求。

3 結論

預制小箱梁采用四支座布置方案常常引發支座出現局部脫空。本文以25 m簡支小箱梁為研究對象，從橫隔板受力及施工管理兩個方面對三支座和兩支座布置方案進行了對比分析，提出預制小箱梁采用兩支座布置方案更具有優勢;在此基礎上，分析了兩支座方案對結構受力和局部構造的影響。分析結果表明，預制小箱梁局部構造加強后可以滿足兩支座布置方案的要求。目前依托工程預制小箱梁已全部采用兩支座布置方案，本項目的工程經驗可為類似工程的實施提供借鑒。

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