大縱坡預制梁橋坡型支座技術研究

李 釗,姚 濤,唐 敏

(1.湖南省芷銅高速公路建設開發有限公司,湖南 長沙 410003;2.湖南省高速公路集團有限公司,湖南 長沙 410022;3.湖南路橋建設集團有限責任公司,湖南 長沙 410000)

交通運輸對國民經濟的發展具有先導性和戰略性的作用,為建設交通強國,構建現代綜合交通運輸體系,我國大力開展交通建設。由于我國山區占地面積廣,山地、溝壑廣泛分布,在交通建設工程中,山區高速公路廣泛存在。受山區地形影響,大縱坡和較柔高墩橋梁被廣泛應用。通過多年山區高速公路的大規模快速發展,大縱坡橋梁在建設和運營過程中易出現墩柱偏移、支座縱向滑移量超限等病害,最嚴重的情況下梁體幾乎掉在蓋梁上,嚴重危及結構和運營安全。因此,大縱坡橋梁的墩柱偏移和支座接觸滑移問題是工程建設中考慮的重點問題之一。謝浩[1]以某高速公路大縱坡柔性梁橋為背景,通過有限元分析,對交接墩偏位產生的機理進行了探討,其研究表明大縱坡柔性梁橋產生交接墩偏位的根本原因為支座安裝不平整。同時,橋墩的偏位還與上部結構的荷載和溫度有關。劉輝等[2]基于Abaqus軟件,從橋梁縱坡坡度、墩柱高速和支座摩擦系統三方面探討了其對橋墩偏位的影響。王帥帥[3]對大縱坡連續梁橋雙柱墩的縱向偏位成因進行了分析,并探討了橋梁上部車輛在加速和制動狀況下對墩頂位移的影響。蔡靜[4]通過現場檢測和數值計算對橋墩偏位的影響因素進行了分析,并提出通過設置楔形預埋鋼板來減少橋墩縱向偏位。李榮巧[5]基于midas Civil和midas FEA軟件探討了橋墩初始缺陷、汽車制動情況、支座性能、溫度荷載對橋墩偏位的影響,其研究發現在支座發生脫空、邊界條件改變等情況時,對設有固定支座的橋墩偏位影響較大。葉鵬飛[6]基于有限元分析,探討了坡度、溫度荷載、制動力和支座脫空程度對支座接觸滑移的影響。杜海鑫[7]通過研究墩頂縱向偏移的機理,提出了一種新型的坡度自適應球型支座,通過跟蹤測量和數值分析,該支座可減小墩頂水平推力,進而改善墩頂偏位問題。綜上,目前有關大縱坡梁橋墩柱偏移和支座接觸滑移的研究,主要集中于機理分析和偏移控制等方面,從支座技術角度解決此類病害的研究較少。對此,本文結合芷銅高速公路大縱坡橋梁特征,從解決大縱坡梁橋墩柱偏移和支座接觸滑移出發,提出一種新型坡型支座設計方式,并通過實際工程應用,取得了良好的應用效果。

1 傳統橋梁坡度施工方法存在的難點問題及病害分析

橋梁設計過程中不可避免的存在一些橫坡和縱坡,導致梁底常和支座存在一定的夾角,因此需要對坡度進行調坡。目前常用的橋梁調坡施工一般采用梁底鋼板進行預埋調坡,也有部分橋梁坡度施工采用梁底預制混凝土楔形塊調坡。對于采用梁底預埋調平鋼板進行調坡的方法,需在底模對應位置進行開洞,因此降低了底模的通用性。同時,所需的預埋鋼板需單獨制作,成本較高。另外,準確定位梁端底部預埋鋼板的坡度是全橋縱坡控制的關鍵,因此安裝的精度要求高,安裝難度較大。對于采用預制混凝土楔形塊來調節坡度的方法,由于混凝土楔形塊需預制模板,而公路路線平縱線不一,混凝土楔形塊厚度不統一,模板與支座坡度所需要的0.01 mm級的精度,技術要求不易保證。同時,一般混凝土楔形塊需在底部預埋鋼板,成本造價較高。另外,混凝土楔形塊與梁底底部難以達到完全貼合,支座易偏壓變形。出現坡度誤差時,通常采用墊楔形鋼板的措施補救,但補救難度大、效果差。

綜上可知,采用傳統橋梁坡度施工方法調節坡度時,尤其縱、橫坡同時存在的梁體,梁體預制過程中,容易出現以下情況:預埋楔形鋼板的尺寸、位置及坡度不精確,造成調平鋼板偏移、傾斜,進而導致支座偏壓、變形、錯位,立柱墩身偏位,梁體、墩柱局部應力集中,出現彎曲變形、開裂。其原理為:當預制梁底預埋鋼板安裝精確,支座安裝水平,如圖1所示,重力G由支座傳遞到下部結構,支座垂直受力,不會產生水平分力。當預制梁底預埋鋼板未安裝水平,使橋梁支座的頂板不水平,或支座底板安裝不水平,導致上部結構荷載對支座產生向上坡方向的水平分力;在溫度變化時,水平分力推動墩柱頂端向上坡方向偏移,使支座不銹鋼板滑入四氟滑板內,造成對四氟滑板的剪切破壞,水平分力持續推動墩柱偏移,導致橋梁出現墩柱偏移、梁體滑移以及梁體與支座脫離等病害,嚴重威脅橋梁運營安全[8]。

G—重力;i—坡度。

2 定制坡型支座微創新設計

2.1 技術原理

大縱坡預制梁橋坡型支座由墩臺、梁體以及坡形支座組成,坡形支座夾持于墩臺與梁體之間。梁體包括預埋鋼板,坡型支座包括支座上座板、不銹鋼滑板、中間鋼襯板、承壓橡膠板、支座下座板和支座下螺栓組件。坡型支座的主要調坡思想為根據橋梁的橫坡、縱坡確定坡型支座上座板的尺寸,通過工廠數控加工定制技術調整支座上座板四角高差,控制調坡精度,使支座上座板縱、橫坡與橋梁縱、橫坡相符,進而使支座垂直向下傳導受力,避免產生水平受力。同時,無需通過調節預埋鋼板或混凝土楔形塊來進行調坡,現場制梁時預埋鋼板與梁底水平設置即可,可避免傳統橋梁調坡施工在大縱坡梁橋下存在的支座脫空、偏壓、變形等問題。在梁體架設正常施工的前提下,只需確保支座安裝位置和方向正確,即可實現坡型支座一次性安裝成功,并精準性調坡。

2.2 定制坡型支座的技術特點及關鍵點

(1)定制坡型支座的主要坡度由支座上座板四角高差實現(根據四角尺寸h1、h2、h3、h4計算),使支座上座板縱、橫坡與橋梁縱、橫坡相符。

如圖2所示,支座四角高度的計算方法為

圖2 支座調坡立體示意圖

h1=h2-A×i1

(1)

h3=h2-B×i2

(2)

h4=h3-A×i1=h1-B×i2

(3)

式中:h1為坡型支座四角尺寸1,cm;h2為坡型支座四角尺寸2,cm;h3為坡型支座四角尺寸3,cm;h4為坡型支座四角尺寸4,cm;i1為順橋向坡度,%;i2為橫橋向坡度,%,如無橫坡,則i2=0;A為順橋向長度,cm;B為橫橋向長度,cm。

(2)定制坡型支座除滿足主要坡度的調節能力外,還具有消除施工誤差引起的次要坡度(墊石標高誤差、梁體底面施工誤差)及調節小坡度偏差的能力。常規支座適應轉角能力一般為0.02～0.03 rad,定制坡型支座的適應轉角能力一般不小于0.05 rad。因此定制坡型支座可至少額外提供≥2%的坡度調節能力。

(3)定制坡型支座具有以往調坡方式所不具備的始終保證支座處于水平滑移狀態的能力,使支座的坡度調整、轉角變形功能與位移功能分離,分工更加明確,保證支座水平受力、位移,達到了梁體自由伸縮,避免梁體受損的目的。

(4)定制坡型支座的可操作性更強,考慮到理論設計與實際施工的誤差,使坡度完全與梁體實際坡度一致既不現實,也會增加大量的材料成本,無形中還增加了難度。定制坡型支座的主要坡度與次要坡度分別適應的理念更符合實際操作,例如坡度偏差不大的橋梁可采用主要坡度設置一致的支座,剩余坡度偏差通過支座的大轉角適應性來實現。

2.3 坡型支座安裝流程

坡型支座安裝的主要流程為:(1)定制坡型支座,預制梁體(預埋鋼板與梁底水平設置);(2)檢查預埋鋼板尺寸、標高,核對支座型號、方向;(3)墊石鑿毛、墩頂錨栓孔清理→吊裝支座,與梁底預埋鋼板斷續對角焊接;(4)吊裝梁體,緊固下地腳螺栓,將支座安放在墊石頂面;(5)安裝模板,重力灌漿;(6)拆除模板、四角墊塊;(7)拆除支座連接板,再次緊固地腳螺栓,安裝圍板。

與傳統調坡施工流程相比,因預埋鋼板與梁底水平設置,降低了預制梁梁底鋼板調坡的難度,可縮短制梁周期。同時,省去了梁底馬蹄、斜墊板等,可實現無級調坡,使施工更加便利,避免了人為的安裝錯誤。

3 坡型支座應用效果

3.1 應用效果

芷銅高速位于湘西丘陵向云貴高原的過渡地帶,橋址溝谷地形大致呈“U”型,切割深度100～200 m,橋隧比62%,有大縱坡橋梁15座,最大縱坡達6%,超過40 m的高墩81座,最大墩柱高度達84.24 m,大縱坡和較柔高墩橋梁較多,易發生橋梁滑移。全線使用定制坡型支座3 462個,經交工驗收,橋梁檢測未有發現支座偏壓、錯位、橋墩偏位、開裂等現象。

3.2 制作方面的優勢

使用定制坡型支座,將關鍵控制點轉移到專業單位,通過采用專業工廠數控加工定制技術,坡度精度等級可達到0.01 mm,坡度能達到萬分之二,提高了控制精度。

3.3 費用方面的優勢

以本項目拖沖特大橋為例:在人員費用方面,定制坡型支座調坡相較于傳統工藝,保守估計可減少人員約2人,如按每人9 000元/月,八個月工期計算,可節約勞務費用約14.4萬元。在材料方面,相較于傳統支座需用梁底的預埋鋼板進行調坡,保守估計可節約3 cm鋼板47.4 t,節約材料費約28.5萬元。需要定制的坡型支座117塊,按約3 200元/每塊,總費用約37.4萬元,對比分析節約成本約5.9萬元。加之減少后期運營維護成本,累計全橋采用坡型支座后共節約工程造價50余萬元。

表1 普通支座與坡型支座費用對比表

3.4 安全方面的優勢

減少了采用傳統支座的多層鋼板面接觸,降低坡度累計誤差,支座與梁體接合密貼,從而大幅度提高支座使用壽命和橋梁安全系數,同時定制坡型支座調坡工藝能有效的避免傳統橋梁坡度施工方法造成的支座偏壓、變形、錯位, 避免因坡度施工誤差造成的墩柱偏位、變形、開裂以及梁體與支座脫離等病害發生;避免結構滑移后的橋梁病害,保證了結構安全。

4 結束語

定制坡型支座調坡工藝能有效的避免傳統橋梁坡度施工方法造成的支座偏壓、變形、錯位,避免因坡度施工誤差造成的墩柱偏位、變形、開裂以及梁體與支座脫離等病害發生;實現小支座解決大問題,避免結構滑移后的橋梁病害,保證了結構安全。

定制坡型支座技術實現了將施工現場的坡度盲置施工轉化到工廠的“專橋專設”的定制化處理,實現了精準施工。經實際應用證明,定制坡型支座坡度精確,現場施工簡單快捷,大大縮短了標段制梁周期,降低了制梁成本;既加快了施工整體進度,又減少不必要的投入,取得了良好的經濟效益。