廣東省公路橋梁板式橡膠支座病害調(diào)查分析

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(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

由于板式橡膠支座在橋梁工程造價中所占比例較小，往往未引起工程技術(shù)人員和管理人員的重視，在使用過程中極易成為橋梁結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，使支座病害成為公路橋梁的多發(fā)病害和常見病害。

本文根據(jù)廣東省內(nèi)多條高速公路橋梁病害調(diào)查結(jié)果，對板式橡膠支座的病害類型進(jìn)行分類，并對病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行了初步分析，為評估支座病害對結(jié)構(gòu)的影響和制定養(yǎng)護維修對策提供依據(jù)。

1 典型病害類型

1)局部脫空及整體脫空

局部脫空是指支座上頂面與梁底面(或不銹鋼板底面)或支座下底面與支座墊石頂面(或蓋梁頂面)接觸不密實，導(dǎo)致支座出現(xiàn)局部承壓的現(xiàn)象。局部脫空(圖1)將導(dǎo)致支座使用應(yīng)力增大，壓縮變形增大，可能引發(fā)支座出現(xiàn)開裂等其它次生病害。

整體脫空是指支座上頂面與梁底面(或不銹鋼板底面)存在間隙而未進(jìn)行接觸，從而使上部結(jié)構(gòu)偏離原設(shè)計支撐狀態(tài)。整體脫空將產(chǎn)生支座反力的重分配，導(dǎo)致其它支座反力增大，相應(yīng)的壓縮變形亦增大，可能引發(fā)支座開裂等其它次生病害。

2)剪切變形超限

普通板式橡膠支座(非四氟滑板支座)主要通過橡膠的剪切變形來適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)由于溫度、混凝土收縮徐變和活載的作用等引起的變形。由于板式橡膠支座橡膠層總厚度一定，因此普通板式橡膠適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)變形的能力有限，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)的變形超過支座容許的剪切變形能力時，支座將產(chǎn)生剪切變形超限的病害，部分病害嚴(yán)重的支座甚至出現(xiàn)支座卷邊的現(xiàn)象(圖2)。

圖1 支座局部脫空

圖2 支座剪切變形超限

3)橡膠開裂

板式橡膠支座橡膠開裂指支座表面產(chǎn)生規(guī)則或不規(guī)則的裂紋(圖3)，裂紋寬度、深度及分布位置無明顯規(guī)律性，部分病害嚴(yán)重的支座甚至出現(xiàn)加勁鋼板銹蝕、支座分塊喪失承載能力的現(xiàn)象。

4)橡膠不均勻鼓凸變形

圖3 支座橡膠開裂

正常工作狀態(tài)下，支座外表面在各層加勁鋼板之間應(yīng)產(chǎn)生鼓凸高度大致相等，且分布均勻的輕微變形。

橡膠不均勻鼓凸變形是指支座在豎向荷載作用下，支座外表面產(chǎn)生鼓凸高度不等的變形(圖4)，部分病害嚴(yán)重的支座甚至出現(xiàn)整個支座高度范圍橡膠保護層的鼓凸變形。產(chǎn)生不均勻鼓凸的原因應(yīng)是支座偏壓及支座內(nèi)部鋼板與橡膠脫膠等。

圖4 支座橡膠非均勻鼓凸變形

5)滑板支座病害

四氟滑板支座在使用過程中常見病害包括四氟滑板擠出、梁底未安裝不銹鋼板、四氟滑板破損(圖5)、卷邊及四氟滑板與橡膠層硫化失效等，導(dǎo)致支座失去滑動功能，無法滿足上部結(jié)構(gòu)由于溫度、收縮、徐變和活載的作用等產(chǎn)生的變形要求。

圖5 四氟滑板支座病害

6)安裝偏位

支座安裝偏位指支座底面偏出支座墊石(或下墊鋼板)范圍或支座頂面偏出梁底面或預(yù)埋鋼板及不銹鋼板(圖6)，導(dǎo)致支座出現(xiàn)部分承壓、部分懸空的現(xiàn)象。

圖6 板式橡膠支座安裝偏位

7)工作環(huán)境差

工作環(huán)境差指支座在使用過程中被施工垃圾(泥砂、砂漿、模板等)包裹，遭受雨水浸漬和污染物污染等(圖7)，存在此類病害的支座將部分或全部失去其正常功能(如承壓、轉(zhuǎn)動、滑動)，支座使用性能及耐久性難以得到保證。

圖7 板式橡膠支座工作環(huán)境不規(guī)范

2 原因分析

從全壽命過程來看，影響支座正常使用的因素主要包括四個方面:設(shè)計選型、加工制造、施工安裝及養(yǎng)護維修。根據(jù)支座在正常使用過程中出現(xiàn)的病害及表現(xiàn)特征，可將引起各種病害的原因分為以下幾類。

2.1 設(shè)計選型

1)型號偏小，使用應(yīng)力偏大

由于支座極限承載能力較支座設(shè)計承載能力大(板式橡膠支座極限抗壓強度要求不低于設(shè)計強度的7倍)，型號偏小導(dǎo)致支座承載能力喪失的病害較為少見，但支座型號偏小后橡膠的使用應(yīng)力偏大，往往引起橡膠鼓凸變形增大，導(dǎo)致橡膠開裂。若考慮超載車輛運營及支座反力重分配等因素，支座型號偏小后支座使用應(yīng)力增大的水平往往難以估計。

2)注重承載力選型，忽視位移能力選型

國內(nèi)大跨徑橋梁支座設(shè)計一般較為注重承載力和位移能力的設(shè)計選型，但對于中小跨度橋梁(占全部橋梁的比重較大)往往更多地關(guān)注承載力的選型，忽視位移能力的設(shè)計選型。這樣可能引起支座安裝后就出現(xiàn)病害的情況。

3)支座布置方式缺陷

板式橡膠支座布置方式缺陷主要表現(xiàn)在矩形支座和圓形支座的選用上。從承載力角度而言，矩形支座和圓形支座都能滿足要求，但是從適應(yīng)位移的角度而言，直線橋由于其位移方向較為明確宜選用矩形支座，彎斜坡橋由于其位移方向不明確宜選用圓形支座。如果在彎斜坡橋上選用矩形支座，容易造成支座出現(xiàn)局部脫空的病害。

4)原材料選擇

板式橡膠支座目前常用的兩種原材料為天然橡膠和氯丁橡膠，兩者適用的溫度有較大的重合區(qū)間，常規(guī)條件下支座可以選用上述兩種原材料。由于氯丁橡膠耐老化性能、抗臭氧能力、耐熱性、耐油性均好于天然橡膠，因此，對于廣東省濕熱環(huán)境而言，支座原材料宜優(yōu)先選用氯丁橡膠。

2.2 加工制造

1)橡膠原材料

雖然《公路橋梁板式橡膠支座》(JT/T 4—2004)中明確規(guī)定橡膠中不得使用任何再生膠或粉碎的硫化橡膠(硫化廢棄物);但受原材料價格及人工成本上漲因素的影響，為了獲得低價中標(biāo)的機會，部分廠家在原材料中一般要摻入再生膠或硫化橡膠，導(dǎo)致支座力學(xué)性能、耐臭氧老化性能、耐熱性能等均大為降低，嚴(yán)重影響支座的正常使用功能。

2)加工制造工藝

目前國內(nèi)廠家由于膠片煉制工藝的不足，存在膠片厚度或大小與設(shè)計不一致的情況，這樣往往導(dǎo)致支座成品與設(shè)計目標(biāo)不一致。國外部分生產(chǎn)廠家采用精煉工藝煉制膠片，可以保證膠片厚度和大小處于相對穩(wěn)定的水平，與薄鋼板硫化時可控制各層鋼板之間橡膠層厚度基本一致，更為接近設(shè)計的目標(biāo)狀態(tài)，可以更好地實現(xiàn)支座的各項功能。

2.3 施工安裝

對比國外橋梁支座的安裝施工來看，國內(nèi)支座安裝施工質(zhì)量處于失控狀態(tài)，這是支座產(chǎn)生較多病害的主要原因之一。支座安裝的主要施工缺陷表現(xiàn)為:

1)梁底預(yù)埋鋼板或混凝土底面及墊石頂面平整度不滿足支座安裝精度要求;

2)矩形支座長短邊方向安裝錯誤;

3)支座安裝出現(xiàn)高差時隨意塞墊鋼板或砂漿;

4)支座安裝時偏出預(yù)埋鋼板或支座墊石范圍;

5)四氟滑板支座不安裝不銹鋼板或不銹鋼板與預(yù)埋鋼板脫開;

6)施工垃圾未清理，導(dǎo)致支座的工作環(huán)境惡化，影響支座的耐久性和正常使用。

2.4 養(yǎng)護維修

從養(yǎng)護角度來說，支座投入運營后養(yǎng)護單位未及時清理支座周邊的建筑垃圾，使支座處于惡劣的工作環(huán)境，從而影響支座的正常使用。正常運營過程中運營單位未安排支座的定期檢查，從而無法及時發(fā)現(xiàn)支座出現(xiàn)的病害，并跟蹤病害的發(fā)展情況。

從維修角度來說，設(shè)計單位往往未認(rèn)真分析病害產(chǎn)生的原因，亦未進(jìn)行病害對結(jié)構(gòu)及支座自身影響程度的評估工作，維修措施往往過于單一;施工單位對病害處治工作亦未引起足夠重視;運營單位存在支座出現(xiàn)病害就草率處理的現(xiàn)象。從而導(dǎo)致病害處治后重復(fù)出現(xiàn)的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)病害處治完成后原來未出現(xiàn)病害的支座繼續(xù)出現(xiàn)病害的情況。

3 結(jié)語

板式橡膠支座病害已成為公路橋梁的常見病害和多發(fā)病害。本文根據(jù)廣東省內(nèi)多條高速公路橋梁病害調(diào)查結(jié)果，對板式橡膠支座的典型常見病害進(jìn)行了分類，并從設(shè)計選型、加工制造、施工安裝及養(yǎng)護維修四個方面對支座病害的產(chǎn)生原因進(jìn)行了初步分析，為支座危害的評估及處治提供依據(jù)。上述分析結(jié)果表明，只有重視支座使用過程中各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，才能從根本上改善目前支座病害較為普遍的現(xiàn)象。

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