支座脫空對(duì)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(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

板式橡膠支座具有很多優(yōu)點(diǎn)：如豎向承載力安全可靠，能適應(yīng)橋梁上部結(jié)構(gòu)的微小變形（角位移和線位移）；具有緩沖隔震作用；制造簡(jiǎn)單、價(jià)格經(jīng)濟(jì)、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(yīng)用非常廣泛。

目前，由于支座材質(zhì)、施工、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)等各種因素的影響[1]，支座安裝后質(zhì)量得不到相應(yīng)的保證，通車后2～3年甚至是還未通車橋梁就出現(xiàn)各種支座病害，進(jìn)而對(duì)其支撐的主梁受力產(chǎn)生不利影響，加速梁體病害的產(chǎn)生，對(duì)橋梁正常運(yùn)營帶來一定的安全隱患。

近年來，通過對(duì)省內(nèi)部分高速公路交工驗(yàn)收橋梁的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分裝配式梁橋剛通車不久出現(xiàn)了不同程度的支座病害。現(xiàn)場(chǎng)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(duì)主梁的影響見表1。

表1 支座病害對(duì)主梁影響

1 橋梁概況及計(jì)算模型

為了具體分析支座病害對(duì)橋梁受力性能影響，現(xiàn)采用Midas Civil有限元軟件對(duì)省內(nèi)某高速公路上主跨20 m的雙幅分離式裝配式箱梁橋進(jìn)行有限元分析。結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：跨徑組合5×20 m，單幅橋面寬度為0.5 m（防撞護(hù)欄）+11 m（橋面凈寬）+0.5 m（防撞護(hù)欄），橫向由4片1.2 m高的小箱梁構(gòu)成，箱梁間中心距2.9 m，跨中橫斷面圖見圖1。全橋端支點(diǎn)設(shè)置滑動(dòng)板式支座，中支點(diǎn)均為普通板式支座；設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：公路-Ⅰ級(jí)。

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(diǎn)橫梁均采用空間梁?jiǎn)卧M，各主梁間連接采用無質(zhì)量的虛擬梁?jiǎn)卧M，濕接縫寬度計(jì)入箱梁主梁的翼緣寬度，全橋共劃分455個(gè)單元。建模過程中做如下簡(jiǎn)化：實(shí)橋中單片箱梁每端設(shè)置的兩個(gè)支座合用一個(gè)等效支座模擬（等效支座剛度取兩個(gè)支座并聯(lián)剛度），不考慮下部結(jié)構(gòu)的影響。該模型沿縱向共設(shè)置 6 排支座，編號(hào)為 A、B、C、D、E、F，每排 4 個(gè)支座，其編號(hào)同主梁編號(hào)，如 A1、A2、A3、A4；支點(diǎn)橫梁編號(hào)為 A、B、C、D、E、F。

圖2 箱梁橋有限元模型及支座編號(hào)

建模過程中，為了驗(yàn)證梁格模型中橫向傳力特性的準(zhǔn)確性，采取橋梁博士軟件中橫向分布計(jì)算模塊與Midas軟件綜合對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表2。通過表2可以看出梁格建模時(shí)計(jì)算結(jié)果與橋梁博士計(jì)算結(jié)果吻合度較好。

表2 第三跨1號(hào)邊梁跨中在集中力作用下的各片梁荷載分擔(dān)比例 %

分析支座脫空對(duì)上部結(jié)構(gòu)受力性能影響時(shí)考慮以下荷載：

a）永久作用荷載 包括結(jié)構(gòu)自重、橋面鋪裝、防撞護(hù)欄、現(xiàn)澆濕接縫、橫隔板、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)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(yīng)由兩車道控制，所以計(jì)算時(shí)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(yīng)。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

考慮到實(shí)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(yīng)。本節(jié)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(jié)果取標(biāo)準(zhǔn)組合[3]，剪力、彎矩結(jié)果取承載能力極限組合[3]。

2.1 單支座脫空對(duì)支反力影響

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

正載作用下邊支座脫空時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(xiàn)場(chǎng)橋梁調(diào)查發(fā)現(xiàn)的支座病害現(xiàn)象，即當(dāng)某一支座脫空時(shí)相鄰支座的壓縮變形較明顯，且較易出現(xiàn)鼓包、環(huán)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(duì)支點(diǎn)橫梁的受力影響

支座脫空后，支撐其上的支點(diǎn)橫梁邊界條件發(fā)生改變，引起橫梁內(nèi)力重分布。計(jì)算分析表明支座脫空對(duì)支點(diǎn)橫梁的受力影響范圍僅限于支撐其上的支點(diǎn)橫梁，且各排支座脫空對(duì)橫梁的受力變化規(guī)律基本相同，表4僅給出了C排支座脫空前后C支點(diǎn)橫梁內(nèi)力極值變化比值（支座脫空前后內(nèi)力極值位置發(fā)生變化，但由于實(shí)際設(shè)計(jì)圖紙中支點(diǎn)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(dá)到3.54倍，最大彎矩比值達(dá)到12.27倍，最小負(fù)彎矩比值達(dá)到12.31倍。這也就能解釋現(xiàn)場(chǎng)橋梁調(diào)查發(fā)現(xiàn)的橫梁病害，即部分支座脫空處支點(diǎn)橫梁出現(xiàn)貫通斜向裂縫。

表4 C排支座脫空后與脫空前C支點(diǎn)橫梁內(nèi)力極值比值

2.3 單支座脫空對(duì)支點(diǎn)主梁的受力影響

由于現(xiàn)澆濕接縫、橫隔板、支點(diǎn)橫梁的共同橫向傳力作用，支座脫空對(duì)支點(diǎn)主梁受力影響區(qū)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(yīng)斷面主梁內(nèi)力比值。

從表5可以看出支座脫空主要影響該支座對(duì)應(yīng)主梁和相鄰主梁支點(diǎn)斷面受力，其中邊支座脫空對(duì)主梁影響最大，C1支座脫空時(shí)導(dǎo)致C2處主梁內(nèi)力顯著變化；正載作用下支座脫空后/前最大剪力比值達(dá)到1.40倍，最小負(fù)彎矩比值達(dá)到1.30倍；偏載作用下支座脫空后/前最大剪力比值達(dá)到1.64倍，最小負(fù)彎矩比值達(dá)到1.47倍。

表5 C排支座脫空后與脫空前主梁內(nèi)力比值

3 結(jié)語

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

b）單支座脫空對(duì)相鄰支座受力影響最大，偏載作用下下邊支座脫空時(shí)，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(duì)支座位置支點(diǎn)橫梁內(nèi)力影響顯著，支座脫空后/前最大剪力比值達(dá)到3.54倍，最大彎矩比值達(dá)到12.27倍，最小負(fù)彎矩比值達(dá)到12.31倍。

d）支座脫空對(duì)支點(diǎn)主梁受力影響區(qū)域主要在脫空支座附近。邊支座脫空對(duì)主梁影響最大，偏載作用下支座脫空后/前最大剪力比值達(dá)到1.64倍，最小負(fù)彎矩比值達(dá)到1.47倍。

支座脫空在橋梁施工過程中經(jīng)常發(fā)生，并且往往沒有受到足夠的重視，導(dǎo)致脫空支座不進(jìn)行處治就直接通車運(yùn)營。為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營，避免個(gè)別支座脫空導(dǎo)致其他支座壓潰失效等連鎖反應(yīng)的發(fā)生，建議設(shè)計(jì)單位適當(dāng)提高支座安全系數(shù)；建議施工單位、監(jiān)理單位加強(qiáng)支座安裝、主梁架設(shè)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(jìn)行支座狀態(tài)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。