支座脫空對裝配式箱梁橋受力性能的影響

毛 敏，申雁鵬

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

板式橡膠支座具有很多優點：如豎向承載力安全可靠，能適應橋梁上部結構的微小變形（角位移和線位移）；具有緩沖隔震作用；制造簡單、價格經濟、且施工安裝方便等。因此在中小跨徑橋梁中，板式橡膠支座的應用非常廣泛。

目前，由于支座材質、施工、運營養護等各種因素的影響[1]，支座安裝后質量得不到相應的保證，通車后2～3年甚至是還未通車橋梁就出現各種支座病害，進而對其支撐的主梁受力產生不利影響，加速梁體病害的產生，對橋梁正常運營帶來一定的安全隱患。

近年來，通過對省內部分高速公路交工驗收橋梁的調查發現，部分裝配式梁橋剛通車不久出現了不同程度的支座病害。現場較典型的病害有：支座脫空、開裂、串位、偏壓、剪切變形過大等。各種支座病害對主梁的影響見表1。

表1 支座病害對主梁影響

1 橋梁概況及計算模型

為了具體分析支座病害對橋梁受力性能影響，現采用Midas Civil有限元軟件對省內某高速公路上主跨20 m的雙幅分離式裝配式箱梁橋進行有限元分析。結構參數如下：跨徑組合5×20 m，單幅橋面寬度為0.5 m（防撞護欄）+11 m（橋面凈寬）+0.5 m（防撞護欄），橫向由4片1.2 m高的小箱梁構成，箱梁間中心距2.9 m，跨中橫斷面圖見圖1。全橋端支點設置滑動板式支座，中支點均為普通板式支座；設計荷載等級：公路-Ⅰ級。

圖1 箱梁橋跨中橫斷面圖（單位：mm）

有限元梁格模型見圖2，主梁、橫隔板及支點橫梁均采用空間梁單元模擬，各主梁間連接采用無質量的虛擬梁單元模擬，濕接縫寬度計入箱梁主梁的翼緣寬度，全橋共劃分455個單元。建模過程中做如下簡化：實橋中單片箱梁每端設置的兩個支座合用一個等效支座模擬（等效支座剛度取兩個支座并聯剛度），不考慮下部結構的影響。該模型沿縱向共設置 6 排支座，編號為 A、B、C、D、E、F，每排 4 個支座，其編號同主梁編號，如 A1、A2、A3、A4；支點橫梁編號為 A、B、C、D、E、F。

圖2 箱梁橋有限元模型及支座編號

建模過程中，為了驗證梁格模型中橫向傳力特性的準確性，采取橋梁博士軟件中橫向分布計算模塊與Midas軟件綜合對比，對比結果見表2。通過表2可以看出梁格建模時計算結果與橋梁博士計算結果吻合度較好。

表2 第三跨1號邊梁跨中在集中力作用下的各片梁荷載分擔比例 %

分析支座脫空對上部結構受力性能影響時考慮以下荷載：

a）永久作用荷載 包括結構自重、橋面鋪裝、防撞護欄、現澆濕接縫、橫隔板、混凝土收縮徐變、預應力荷載。

b）可變作用荷載 包括汽車荷載、溫度梯度、整體升降溫。由于活載效應由兩車道控制，所以計算時考慮兩車道的偏載和正載，按影響線加載，并考慮汽車沖擊效應。

2 計算結果及分析

考慮到實際工程中單支座脫空為常見病害，本文僅模擬單支座脫空效應。本節表中工況1代表兩列車正載工況，工況2代表兩列車偏載工況；其中支反力結果取標準組合[3]，剪力、彎矩結果取承載能力極限組合[3]。

2.1 單支座脫空對支反力影響

從表3可以看出，單支座脫空僅對同一排支座的支反力影響較明顯，而對其他排支座幾乎沒有影響，主要原因是現澆濕接縫、橫隔板、支點橫梁的共同橫向傳力作用，削弱支座脫空對其他橋墩處支座支反力影響。

正載作用下邊支座脫空時，同排相鄰支座支反力最大值為原來的2.44倍，中支座脫空時，同排相鄰支座反力最大值為原來的1.70倍；偏載作用下下邊支座脫空時，同排相鄰支座支反力最大值為原來的3.30倍，中支座脫空時，同排相鄰支座反力最大值為原來的1.97倍。這也就能解釋現場橋梁調查發現的支座病害現象，即當某一支座脫空時相鄰支座的壓縮變形較明顯，且較易出現鼓包、環向裂縫。

表3 C排支座脫空后與脫空前支反力比值

2.2 單支座脫空對支點橫梁的受力影響

支座脫空后，支撐其上的支點橫梁邊界條件發生改變，引起橫梁內力重分布。計算分析表明支座脫空對支點橫梁的受力影響范圍僅限于支撐其上的支點橫梁，且各排支座脫空對橫梁的受力變化規律基本相同，表4僅給出了C排支座脫空前后C支點橫梁內力極值變化比值（支座脫空前后內力極值位置發生變化，但由于實際設計圖紙中支點橫梁橫橋向配筋無變化，所以橫梁各截面抗力均相同，表4中僅列出極值變化比值更有意義）。

從表4可以看出，支座脫空后/前最大剪力比值達到3.54倍，最大彎矩比值達到12.27倍，最小負彎矩比值達到12.31倍。這也就能解釋現場橋梁調查發現的橫梁病害，即部分支座脫空處支點橫梁出現貫通斜向裂縫。

表4 C排支座脫空后與脫空前C支點橫梁內力極值比值

2.3 單支座脫空對支點主梁的受力影響

由于現澆濕接縫、橫隔板、支點橫梁的共同橫向傳力作用，支座脫空對支點主梁受力影響區域主要在脫空支座附近。表5僅列出C排支座脫空后與脫空前相應斷面主梁內力比值。

從表5可以看出支座脫空主要影響該支座對應主梁和相鄰主梁支點斷面受力，其中邊支座脫空對主梁影響最大，C1支座脫空時導致C2處主梁內力顯著變化；正載作用下支座脫空后/前最大剪力比值達到1.40倍，最小負彎矩比值達到1.30倍；偏載作用下支座脫空后/前最大剪力比值達到1.64倍，最小負彎矩比值達到1.47倍。

表5 C排支座脫空后與脫空前主梁內力比值

3 結語

a）單支座脫空僅對同一排支座的支反力影響較明顯，而對其他排支座幾乎沒有影響。

b）單支座脫空對相鄰支座受力影響最大，偏載作用下下邊支座脫空時，同排相鄰支座支反力最大值為原來的3.30倍。

c）支座脫空對支座位置支點橫梁內力影響顯著，支座脫空后/前最大剪力比值達到3.54倍，最大彎矩比值達到12.27倍，最小負彎矩比值達到12.31倍。

d）支座脫空對支點主梁受力影響區域主要在脫空支座附近。邊支座脫空對主梁影響最大，偏載作用下支座脫空后/前最大剪力比值達到1.64倍，最小負彎矩比值達到1.47倍。

支座脫空在橋梁施工過程中經常發生，并且往往沒有受到足夠的重視，導致脫空支座不進行處治就直接通車運營。為了保證橋梁結構的安全運營，避免個別支座脫空導致其他支座壓潰失效等連鎖反應的發生，建議設計單位適當提高支座安全系數；建議施工單位、監理單位加強支座安裝、主梁架設過程中的管理，確保支座工作正常；建議新建橋梁交付使用前均進行支座狀態檢查，脫空支座必須全部處治確保工作正常后才能交付使用。