剪力銷在橋梁同步頂升支座更換中的應用研究

摘要 在橋梁頂升支座更換的施工過程中，經常會遇到梁底支座周邊空間不夠無法布置千斤頂的情況。該文介紹了在梁底橋墩蓋梁相應位置安裝剪力銷作為橋梁頂升支撐平臺，用以布置千斤頂的方法，并對剪力銷進行了施工可行性的理論分析。結合工程實例，介紹了剪力銷施工安裝要點，對預壓試驗進行了數據監測。結果表明：剪力銷臨時支架滿足橋梁同步頂升的要求。研究成果對相關的橋梁支座更換工程具有一定的借鑒意義。

關鍵詞 橋梁頂升；剪力銷；支撐平臺；理論分析

中圖分類號 U442 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0100-04

0 引言

對于板式橡膠支座，其隨著使用時間的推移會出現鼓凸、老化開裂以及剪切變形超限等病害。目前工程中往往采用在梁底病害支座周邊布置千斤頂頂升梁體的方法，對上述病害支座進行更換[1-2]。但有時會遇到梁底支座周邊空間受限，不足以布置千斤頂的情況，這時需要額外搭設支撐平臺。目前常見的平臺搭設方法有支架法、鋼抱箍法、鞍形支架法和鋼扁擔法等，這些方法都具有一定的適用條件和施工限制[3-4]。該文引入了在梁底橋墩蓋梁相應位置安裝剪力銷作為梁體頂升支撐平臺，用以布置千斤頂的新方案，相比于其他支撐體系，剪力銷具有操作簡單、施工方便、造價較低的特點，在橋梁支座更換工程中具有一定的應用前景。

1 剪力銷構造

剪力銷裝置主要由鋼牛腿、銷體和錨固螺栓組成。鋼牛腿采用槽鋼和大小不等的Q235鋼板焊接而成[5]；銷體采用45#鋼加工而成；錨固螺栓按剪力銷實際承受荷載選用合適的強度級別和錨固深度。剪力銷鋼牛腿的頂面往往還會放置下墊梁，然后再于下墊梁頂面布置千斤頂。下墊梁起到了調節千斤頂與主梁位置，以及將頂升力最終傳遞到剪力銷各個鋼牛腿上的作用。下墊梁可選用合適的槽鋼和大小不等的鋼板焊接而成。剪力銷的鋼牛腿通過銷體及錨固螺栓固定在主梁正下方的蓋梁上。在牛腿安裝前，要根據千斤頂的布設位置和頂升梁體的高度確定好安裝位置，在蓋梁上放樣鉆制錨固螺栓植筋孔和銷體圓錐孔。錨栓螺紋及緊固螺母由工廠配置，剪力銷委托工廠機床加工，以滿足設計要求的尺寸精度、錐度及光潔度。剪力銷作為梁體頂升支撐平臺的安裝布置如圖1所示。

圖1 剪力銷安裝示意

2 剪力銷力學計算式

剪力銷鋼牛腿的平衡主要依靠銷體和錨固螺栓。當鋼牛腿頂面作用有豎向荷載時，鋼牛腿對銷體產生剪力作用，對錨固螺栓產生拉力作用。剪力銷計算力學圖示如圖2，其中d為鋼牛腿頂面等效豎向集中荷載到蓋梁正面的距離，h為銷體軸線到鋼牛腿底部的距離。

若鋼牛腿對銷體的剪力為FS，對錨固螺栓的拉力為FT，鋼牛腿所受豎向荷載的等效集中荷載為Pn，則由鋼牛腿的力學平衡方程可得：

（1）

從公式（1）中計算得出FS和FT后，可對銷體和錨固螺栓的承載能力進行驗算。

（1）銷體

銷體截面受到鋼牛腿的剪力作用，其截面剪應力需不超出容許剪應力值，即：

τ=FS/A1≤[τ0] （2）

其中：FS——鋼牛腿對銷體的剪力（N）；

A1——銷體的截面面積（mm2）；

[τ0]——銷體的容許剪應力（MPa）。

（2）錨固螺栓

錨固螺栓與混凝土的黏結是通過在蓋梁對應位置鉆孔植筋并植入植筋膠來實現的。在錨固螺栓受拉過程中，與混凝土黏結力的大小決定了其最大受拉承載力。故對剪力銷進行設計時，要求錨栓的實際承受的拉力要小于其最大受拉承載力，并考慮一定的安全系數。

FT≤[N0] （3）

[N0]=NR/μ （4）

NR=π·d·hef·τRk （5）

其中：FT——鋼牛腿對錨固螺栓的拉力（N）；

[N0]——錨固螺栓的容許拉力（N）；

NR——錨固螺栓與混凝土的最大黏結力（N）；

μ——錨固螺栓的安全系數（一般取2）；

hef——錨栓的有效錨固深度（mm）；

τRk——植筋膠黏結強度標準值，對于一般植筋膠取4 MPa。

（3）銷孔混凝土承壓

剪力銷承受荷載時，銷體對其下面接觸的混凝土產生壓力FN，量值上等于鋼牛腿對銷體的剪力FS。在剪力銷的設計中需對銷孔混凝土的承壓能力進行驗算：

σ=FN/A2≤[σ0] （6）

A2=l·d （7）

其中：σ——銷孔混凝土表面壓應力（MPa）；

σ0——蓋梁混凝土容許壓應力（MPa）；

A2——銷孔等效承壓面積（mm2）；

l——銷孔深度（mm）；

d——銷孔截面直徑（mm）。

由上面驗算公式可知，在對剪力銷各構件進行設計驗算時，需先確定各個鋼牛腿分配到的豎向荷載大小。從圖1中可以看出，在進行梁體的頂升時，主梁的重力傳至千斤頂，再經由墊梁分配到4片鋼牛腿上，而鋼牛腿頂面的豎向荷載最終實際由銷體承擔。根據下墊梁和剪力銷的安裝布置，可將頂升力在各個銷體間分配的力學圖示繪制如圖3。

圖中P為千斤頂對墊梁作用的等效集中荷載，L1為銷體間的中心距，L2為千斤頂間的中心距。根據上述計算圖示，可得到鋼牛腿對各個銷體的剪力：

FS=P/2 （8）

3 工程實例

某高速橋梁上部結構采用7×30 m后張法預應力混凝土T梁，預制安裝，結構簡支橋面連續。該橋在定期檢查中發現板式橡膠支座存在嚴重病害需要更換，但梁底支座周邊空間有限，需搭設額外的頂升支撐平臺來布置千斤頂。

經計算，該橋在結構恒載作用下，主梁各支點處的支反力為463 kN；在恒載和汽車荷載作用下各支點處的最大支反力為772 kN。恒載理論支反力用于控制梁體同步頂升過程，各支點在恒載和汽車荷載作用下的最大支反力用于配置千斤頂噸位。支撐平臺搭設采用安裝剪力銷的方案，蓋梁混凝土強度現場檢測為C30。

3.1 設計尺寸

根據支反力的理論計算值，在該橋主梁每個支點處的蓋梁相應位置安裝4片鋼牛腿，安裝布置與圖1相同。剪力銷各構件尺寸的設計如圖4。

對剪力銷各構件進行設計驗算時，首先應確定單個鋼牛腿所分配的豎向荷載大小。為確保橋梁頂升的安全，取最不利情況下的荷載，即各支點標準值理論支反力（恒載+活載）772 kN。據此可參照該文第2節的力學計算式對銷體和錨固螺栓進行驗算，可知剪力銷各構件的尺寸符合相應荷載作用下的強度要求。

3.2 施工安裝流程

剪力銷臨時支架由剪力銷牛腿（剪力銷、鋼牛腿、固定拉桿等）、墊梁、承重鋼梁組成。牛腿通過剪力銷及拉桿固定在T梁正下方的蓋梁上。牛腿安裝前必須在蓋梁上放樣鉆制拉桿植筋孔和剪力銷圓錐孔。拉桿螺紋及緊固螺母由工廠配置，剪力銷委托工廠加工機床加工，以滿足設計要求的尺寸精度、錐度及光潔度。施工安裝工藝流程如圖5所示。

剪力銷臨時支架施工安裝中關鍵步驟為剪力銷制孔。直接在蓋梁上制孔是有一定難度的，尤其是鉆出圓錐孔難度更大，而且精度難以保證。為滿足銷孔的尺寸精度和表面光潔度的施工要求，先采用大于剪力銷大頭直徑10 mm的空心鉆孔打出圓柱孔，深度略大于剪力銷模具的長度。圓柱孔與剪力銷錐面孔之間的空隙采用環氧砂漿填充。在頂升用剪力銷臨時支架拆除后，及時做好善后工作，除清理工作外，對蓋梁上的銷孔需采用微膨脹混凝土填實封孔。

3.3 預壓試驗

剪力銷在承受豎向荷載時，鋼牛腿會不可避免地出現豎向位移。若鋼牛腿豎向位移過大，會影響到千斤頂的正常頂升，故而應將鋼牛腿的豎向位移控制在較小的范圍內。為此，在梁體正式同步頂升前，應對剪力銷進行預壓試驗，以得到各個鋼牛腿豎向位移與剪力銷所承受豎向荷載大小的關系。預壓方法是通過對剪力銷相應位置的T梁進行單點頂升，T梁單點頂升高度控制在1.5 mm以內。剪力銷預壓試驗如圖6所示：

通過現場預壓試驗，得到剪力銷各個鋼牛腿豎向位移與其所承受豎向荷載的關系數據見下表1，鋼牛腿豎向位移與剪力銷豎向荷載如圖7所示：

從現場剪力銷的預壓試驗數據可知，當剪力銷豎向荷載達到主梁支點最不利工況下的支反力772 kN時，各個鋼牛腿的沉降位移在1.5 mm以內，不會對千斤頂的正常頂升產生影響。

4 結語

針對橋梁支座更換工程中梁底支座周邊空間受限，不足以布置千斤頂的情況，引入了在蓋梁相應位置安裝剪力銷作為頂升支撐平臺布置千斤頂的方法。根據剪力銷的實際構造和工作原理，提出了一套實用的剪力銷設計計算公式，并將其應用于實際工程中。考慮鋼牛腿沉降位移對梁體頂升過程中千斤頂工作性能的影響，建議在正式頂升前對剪力銷進行預壓試驗，根據試驗數據進一步判斷剪力銷作為頂升支撐平臺施工的可靠性。從上述支座更換工程中剪力銷的實際使用情況來看，剪力銷作為梁體頂升支撐平臺，安全、可靠且經濟，具有一定的推廣價值。

參考文獻

[1]喬乃洪，陳向輝.公路橋梁板式橡膠支座的病害及維修方法[J].交通運輸工程與信息學報，2006（1）：104-109.

[2]李曉翔，張勇.公路橋梁板式橡膠支座典型病害及原因分析[J].鐵道建筑，2013（6）：27-30.

[3]孫晨晴.橋梁支座更換方法研究[J].黑龍江交通科技，2005（10）：73-74.

[4]韓振勇.同步頂升技術在舊橋改造工程中的應用[J]. 城市道橋與防洪，2006（5）：164-167.

[5]孫訓芳，方孝淑，關來泰.材料力學Ⅰ（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2008.