連續(xù)梁橋交接墩嚴(yán)重偏移病害原因研究

田世清，王俊新，石慶凡

(重慶橋都橋梁技術(shù)有限公司，重慶 400015)

連續(xù)梁橋交接墩嚴(yán)重偏移病害原因研究

田世清，王俊新，石慶凡

(重慶橋都橋梁技術(shù)有限公司，重慶 400015)

以盆式橡膠支座安裝缺陷和墩柱偏移病害調(diào)查結(jié)果為依據(jù)，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)39座橋梁，130個(gè)橋墩(臺(tái))，1 268個(gè)支座的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)部分損壞支座進(jìn)行解剖分析，揭示了連續(xù)梁橋交接墩嚴(yán)重偏移病害的原因。分析表明：支座支撐面安裝不水平、支座頂板與支座中心位置安裝存在較大偏離和溫差變化時(shí)梁體伸縮產(chǎn)生的力的共同作用下，連續(xù)梁橋交接墩容易出現(xiàn)偏移破壞。

橋梁工程；連續(xù)梁橋；交接墩；嚴(yán)重偏移；病害原因

重慶市石忠、彭武、渝鄰等高速公路較多連續(xù)梁橋交接墩先后出現(xiàn)向上坡方向嚴(yán)重偏移，最嚴(yán)重的偏移量達(dá)到45 cm，梁體幾乎掉落在蓋梁上。同時(shí)地面附近橋墩根部混凝土出現(xiàn)大量環(huán)向裂縫，對(duì)應(yīng)橋墩上的支座嚴(yán)重超限滑移、剪切破壞。不少學(xué)者、工程師們也先后發(fā)表了多篇關(guān)于此類(lèi)病害原因分析[1]的著述，但鮮有對(duì)病害原因的深度研究。筆者通過(guò)深入的病害調(diào)查及試驗(yàn)研究，對(duì)交接墩實(shí)際偏移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于支座支撐面不水平時(shí)橋梁上部荷載形成的水平分力對(duì)其推動(dòng)產(chǎn)生的偏移量進(jìn)行了深入研究，以期弄清病害原因。

1 支座安裝缺陷調(diào)查

1.1 支座未按照設(shè)計(jì)位置安裝

1)橫橋向支座中心未在一條直線(xiàn)上，有的靠前，有的靠后，每個(gè)支座間的間距也不均勻，如圖1。

圖1 支座實(shí)際安裝位置Fig.1 Actual installation location of support

2)支座頂板中心與支座中心偏離(溫度調(diào)整一般在縱向考慮,但調(diào)整量會(huì)有規(guī)律性,同排一般一樣)，在縱向或橫向上，使支座出現(xiàn)偏壓。這兩種情況對(duì)支座的影響綜合表現(xiàn)為支座頂板中心與支座中心不重合，改變了支座允許滑移量。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，這種缺陷最嚴(yán)重的同排支座偏離值達(dá)到100 mm。如圖2、圖3。

圖2 支座頂板中心與支座中心偏離Fig.2 Deviation of support roof center and bearing center

圖3 活動(dòng)盆式橡膠支座實(shí)際安裝Fig.3 Actual installation of movable basin rubber support

1.2 支座頂板安裝不水平

支座頂板安裝成與梁體縱坡基本一致(因?yàn)榱旱最A(yù)埋鋼板安裝成與梁體縱坡基本一致，未進(jìn)行調(diào)平處理)，支座滑動(dòng)面也處于不水平狀態(tài)。

1.3 支座底板安裝不水平

由于支座墊石表面不水平，支座安裝時(shí)又未進(jìn)行調(diào)平處理，直接將支座放置在墊石上，導(dǎo)致支座底板不水平。支座底板不水平，導(dǎo)致聚四氟乙烯板也不水平。

1.4 支座破壞調(diào)查

1)支座破壞主要表現(xiàn)為超限滑移、聚四氟乙烯板外露并破壞，現(xiàn)狀如圖4。

圖4 支座超限滑移及聚四氟乙烯板外露現(xiàn)狀照Fig.4 Transfinite slip of support and exposure of teflon plate graph

2)破壞的支座解剖[2]后，發(fā)現(xiàn)盆式橡膠支座頂板不銹鋼冷軋鋼板、橡膠板和聚四氟乙烯板被嚴(yán)重破壞，尤其聚四氟乙烯板被推擠成無(wú)數(shù)個(gè)約6 mm厚以?xún)?nèi)的褶皺或壓埂，如圖5。

圖5 破損支座解剖Fig.5 Anatomic images of the damaged support

2 支座滑動(dòng)及破壞過(guò)程研究

支座的滑動(dòng)及破壞過(guò)程可化分為4個(gè)階段，分別是正?；瑒?dòng)階段、輕微破壞階段、嚴(yán)重破壞階段和不銹鋼冷軋鋼板破壞階段。

2.1 正常滑動(dòng)階段

從活動(dòng)盆式橡膠支座的結(jié)構(gòu)可以看出，支座頂板首先沿著滑動(dòng)面自由滑動(dòng)，直到不銹鋼冷軋鋼板邊緣剛好滑移至聚四氟乙烯板的邊緣，在允許滑移量范圍滑動(dòng)時(shí)，不會(huì)對(duì)聚四氟乙烯板產(chǎn)生破壞，屬于正常滑移階段。如圖6,圖7。

圖6 活動(dòng)盆式橡膠支座安裝初始位置Fig.6 Initial position of the movable basin rubber support installation

圖7 活動(dòng)盆式橡膠支座正?；频呐R界位置Fig.7 Critical position of the movable basin type rubber support on normal slip

2.2 輕微破壞階段

當(dāng)不銹鋼冷軋鋼板邊緣逐漸滑入聚四氟乙烯板內(nèi)時(shí)，導(dǎo)致兩者之間的接觸面變小，接觸部分聚四氟乙烯板受到的壓強(qiáng)不斷增大。在壓強(qiáng)大到超過(guò)聚四氟乙烯板的抗壓強(qiáng)度時(shí)，其厚度被壓縮變形，不銹鋼冷軋鋼板的邊緣就會(huì)嵌入其內(nèi)，使其外露面形成一道埂(簡(jiǎn)稱(chēng)“壓埂”，下同)，如圖8。

圖8 聚四氟乙烯板形成第一道壓埂Fig.8 The first pressure ridge of teflon plate

以某連續(xù)梁橋跨中伸縮縫對(duì)應(yīng)相鄰2跨的簡(jiǎn)支梁和交接墩支座為例：1號(hào)梁的右端和2號(hào)梁的左端分別有A支座與B支座。分析此時(shí)壓埂的受力情況。

溫度升高時(shí)，梁體伸長(zhǎng)，由于B支座壓埂的約束，處于下坡一側(cè)的2號(hào)梁對(duì)B支座形成膨脹推力M[3]，如圖9。

圖9 溫度升高時(shí)，2號(hào)梁通過(guò)B支座壓埂對(duì)橋墩形成膨脹推力MFig.9 Expansion thrust M of No. 2 beam on the pier through B bearing pressure ridge with the increase of temperature

溫度降低時(shí)，梁體縮短，由于A支座壓埂的約束，處于上坡一側(cè)的1號(hào)梁對(duì)A支座形成收縮拉力L，如圖10。

圖10 溫度降低時(shí)，1號(hào)梁通過(guò)A支座壓埂對(duì)橋墩形成收縮拉力LFig.10 Contraction force L of No. 1 beam on the pier through A bearing pressure ridge with the decrease of temperature

推力M和拉力L都是梁體在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的力，在一端受固定墩約束和一端受壓埂的約束條件下，此力非常大，完全能夠推動(dòng)墩柱向上坡方向偏移[3]。

支座A和B可以看成和墩柱是一個(gè)整體，墩柱偏移變形后會(huì)產(chǎn)生彈力，當(dāng)這個(gè)彈力大于不銹鋼冷軋鋼板切削壓埂所需要的力(壓梗的抗剪強(qiáng)度)時(shí)，壓埂就被切削掉了。壓埂被切削的過(guò)程，也是溫度力推動(dòng)墩柱繼續(xù)偏移的過(guò)程[4]。由于上部荷載壓力的作用，雖然壓埂被切削掉了，但墩柱偏移變形也不能完全恢復(fù)。

當(dāng)?shù)?個(gè)溫差形成時(shí)，繼續(xù)分析圖9、圖10，不難得出聚四氟乙烯板產(chǎn)生第2個(gè)壓埂和又被切削的過(guò)程，如圖11。

圖11 聚四氟乙烯板形成第二道壓埂Fig.11 The second pressure ridge of teflon plate

當(dāng)溫度反復(fù)升降時(shí)，遂形成第3道壓埂、第4道壓埂、…、第N道壓埂，這些壓埂又先后被切削，這也是聚四氟乙烯板上坡一側(cè)邊緣被切削變成刀口狀的原因。

當(dāng)梁體溫差變形量小于需要被切削壓埂的厚度時(shí)，壓埂便不再被完全切削掉，而是形成一個(gè)褶皺。

2.3 嚴(yán)重破壞階段

每個(gè)氣溫升降周期，墩柱都會(huì)不斷向上坡方向偏移，A支座和B支座上的聚四氟乙烯板都會(huì)不斷交替破壞，形成更深的壓埂，越來(lái)越嚴(yán)重。隨著之后不斷產(chǎn)生的溫差，聚四氟乙烯板上便留下一個(gè)一個(gè)的褶皺，直到被推擠隆起，進(jìn)入嚴(yán)重破壞階段。如圖12。

圖12 聚四氟乙烯板被推擠形成褶皺和隆起Fig.12 The wrinkles and uplift of teflon plate formed by push

由于此階段不銹鋼冷軋鋼板已不能切削壓埂，故壓埂對(duì)梁體溫度變形的約束越來(lái)越明顯、越來(lái)越強(qiáng)，在溫度力作用下對(duì)墩柱形成的推力(或拉力)也越來(lái)越大，墩柱向上坡方向偏移的速度越來(lái)越快，偏移值越來(lái)越大。

2.4 不銹鋼冷軋鋼板破壞階段

當(dāng)不銹鋼冷軋鋼板完全滑出聚四氟乙烯板后，與支座中間鋼板接觸，形成鋼板與鋼板之間的推擠。由于中間鋼板嵌入支座底板內(nèi)，底板又與墊石錨固，而不銹鋼冷軋鋼板僅點(diǎn)焊在支座頂板上，所以不銹鋼冷軋鋼板焊縫被剝開(kāi)，繼續(xù)推擠形成隆起破壞，如圖13。

圖13 不銹鋼冷軋鋼板被支座中間鋼板推擠形成隆起破壞Fig.13 The bulge fracture of cold rolled stainless steel plate formed by push

3 支座滑動(dòng)和破壞過(guò)程實(shí)例驗(yàn)證

以渝鄰高速楠花2號(hào)橋?yàn)槔?，?jì)算驗(yàn)證支座滑動(dòng)和破壞過(guò)程[4-5]。

楠花2號(hào)橋位于重慶渝鄰高速公路一直線(xiàn)段上，橋面全寬24.5 m，分左右兩幅，橋長(zhǎng)284.04 m。右幅上部結(jié)構(gòu)均按4×30.0 m+5×30.0 m布置，每跨由5片長(zhǎng)30.0 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁組成，下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土雙柱式墩，橋面設(shè)計(jì)縱坡1.14%。4 # 墩為交接墩，設(shè)置單向滑動(dòng)盆式支座，設(shè)計(jì)允許滑移量為10 cm。橋梁設(shè)計(jì)荷載為“汽車(chē)-超20、掛車(chē)-120”。右幅4#橋墩墩柱及蓋梁均采用C30混凝土，墩柱直徑均為1.5 m，墩高均為22 m。

橋梁缺陷及病害情況：右幅4 # 墩支座頂板與支座中心安裝偏離值最大達(dá)到4 cm，實(shí)測(cè)4#墩支座支撐面坡度平均為3.84 %，右幅4#墩柱墩頂向鄰水方向(上坡一側(cè))偏移28.0 cm，地面以上4 m范圍內(nèi)有19條裂縫。

根據(jù)墩柱實(shí)際尺寸及相關(guān)圖紙采用Midas Civil 2012有限元計(jì)算軟件對(duì)其進(jìn)行建模計(jì)算分析[6]。

3.1 水平分力作用下墩頂偏移量計(jì)算

橋梁上部荷載對(duì)橋墩壓力的水平分力[6]為

F=G×cosθ×sinθ=214.62 kN

在此工況下，計(jì)算得出右幅4 # 橋墩最大水平位移(即墩頂偏移量)為6.32 cm，如圖14。

圖14 右幅4號(hào)墩位移結(jié)果Fig.14 No. 4 pier right range displacement results map

3.2 支座滑移程度分析

右幅4#墩支座設(shè)計(jì)滑移量為10 cm，由于頂板與支座中心安裝偏離值最大達(dá)到4 cm，相當(dāng)于支座實(shí)際允許滑移量只有6 cm[7]。墩柱頂部在上部荷載的水平分力作用下偏移值為6.32 cm，已經(jīng)超過(guò)支座的實(shí)際允許滑移量，此時(shí)不銹鋼冷軋鋼板已經(jīng)伸入聚四氟乙烯板內(nèi)，溫度變化時(shí)，梁體伸縮產(chǎn)生的力對(duì)其形成壓縮和剪切。

3.3 墩柱頂部實(shí)際偏移狀況下需要的推力計(jì)算

墩頂實(shí)際向上坡方向偏移28.0 cm，計(jì)算得出需要的推力為950.85 kN，如圖15。梁體變形產(chǎn)生的力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于950.85 kN，能夠推動(dòng)墩柱持續(xù)偏移[8]。

圖15 4號(hào)墩偏移28.0 cm時(shí)的位移結(jié)果Fig.15 No. 4 pier displacement results map with offset 28.0 cm

4 結(jié) 語(yǔ)

由于支座支撐面安裝不水平，當(dāng)溫度變化時(shí)，連續(xù)梁橋交接墩會(huì)在上部荷載的水平分力作用下產(chǎn)生偏移，支座頂板與支座產(chǎn)生相對(duì)滑移。由于支座頂板與支座中心位置安裝偏離，減小了支座實(shí)際允許滑移量。當(dāng)水平分力作用下橋墩的偏移值大于支座實(shí)際允許滑移量時(shí)，不銹鋼冷軋鋼板邊緣便伸入到聚四氟乙烯板內(nèi)并形成壓埂。在溫度變化時(shí)，梁體伸縮產(chǎn)生的溫度力通過(guò)壓埂不斷作用在橋墩上，推動(dòng)墩柱持續(xù)向上坡方向偏移。這個(gè)過(guò)程中，聚四氟乙烯板上的壓埂越來(lái)越多，逐漸形成褶皺和隆起，甚至不銹鋼冷軋鋼板也被推擠隆起。隨著橋梁使用時(shí)間的延長(zhǎng)，由溫度變化產(chǎn)生的力對(duì)橋墩的推動(dòng)成百上千次地發(fā)生，最終導(dǎo)致橋墩嚴(yán)重偏移，直至落梁。這就是為什么交接墩實(shí)際偏移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于支座支撐面不水平時(shí)橋梁上部荷載形成的水平分力對(duì)其推動(dòng)產(chǎn)生的偏移量的原因。

通過(guò)本次研究，弄清了連續(xù)梁橋交接墩向上坡方向嚴(yán)重偏移的誘導(dǎo)原因和直接原因，也揭示了支座嚴(yán)重剪切破壞的發(fā)展過(guò)程和原因，為橋梁建設(shè)和養(yǎng)護(hù)施工中對(duì)支座安裝質(zhì)量的控制加深了認(rèn)識(shí)，給同類(lèi)病害的處治提供了寶貴的理論支持。

[1] 田世清,石慶凡,唐賜明，等.李家灣大橋墩柱糾偏技術(shù)介紹[J].公路交通技術(shù)，2013(1)：56-58. TIAN Shiqing，SHI Qingfan,TANG Ciming, et al. Introduction of corrective techniques for pier studs of Lijiawan Bridge[J].TechnologyofHighwayandTransport, 2013(1)：56-58.

[2] 張延年,單春紅,鄭怡,等. 凍融條件下公路橋梁四氟滑板氯丁橡膠支座力學(xué)性能試驗(yàn)[J]. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 29(2) :282-289. ZHANG Yannian，SHAN Chunhong,ZHENG Yi, et al. Mechanical tests of tetra fluoride skateboard plain chloroprene rubber bearings of highway bridge under freeze-thaw cycle condition[J].JournalofShenyangJianzhuUniversity(NaturalScience), 2013, 29(2): 282-289.

[3] 劉文光,楊巧榮,周福霖. 建筑用鉛芯橡膠隔震支座溫度性能研究[J]. 世界地震工程,2003,19(2):39-44. LIU Wenguang，YANG Qiaorong,ZHOU Fulin. Temperature properties of lead rubber bearings for building[J].WorldEarthquakeEngineering,2003,19(2):39-44.

[4] 曾勇.田世清,唐賜明. 連續(xù)梁橋橋墩糾偏頂推受力分析[J].中外公路，2013,33(3)：86-88. ZENG Yong, TIAN Shiqing, TANG Ciming. Stress analysis of bridge pier of continuous girder bridge[J].JournalofChina&ForeignHighway，2013,33(3)：86-88.

[5] 聶利英,李建中,范立礎(chǔ). 滑動(dòng)支座豎向動(dòng)反力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的影響[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,30(11):1290-1294. NIE Liying，LI Jianzhong,FAN Lichu. Effects of dynamic vertical resistance force of sliding bearing of bridges[J].JournalofTongjiUniversity(NaturalScience) ,2002,30(11):1290-1294.

[6] 張浩,石名磊,胡伍生,等. 互通區(qū)跨線(xiàn)橋鄰近路基墩柱偏移事故分析[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,43(3):617-623. ZHANG Hao, SHI Minglei, HU Wusheng, et al. Analysis of sloping pier nearby embankment of overpass bridge in interchange[J].JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition) ,2013,43(3):617-623.

[7] 周效軍,佘知真,李杏平,等. 新型復(fù)合滑移隔震裝置的試驗(yàn)研究[J]. 江蘇建筑,2011(5):55-59. ZHOU Xiaojun, SHE Zhizhen,LI Xingping, et al. Experiments on a new type of seismic isolation bearing[J].JiangsuConstruction,2011(5):55-59.

[8] 祝小龍,趙春花,周成濤. 某高架橋橋墩傾斜成因分析及安全評(píng)估[J]. 中外公路,2013,3(4):208-211. ZHU Xiaolong, ZHAO Chunhua,ZHOU Chengtao. Cause analysis and safety assessment of viaduct bridge pier[J].JournalofChina&ForeignHighway,2013,3(4):208-211.

Disease Cause of Severe Deviation of Transfer Piers of Continuous Beam Bridge

TIAN Shiqing, WANG Junxin, SHI Qingfan

(Chongqing Qiaodu Bridge Technology Co., Ltd., Chongqing 400015, P.R.China)

According to the investigation results of the installation defects of basin rubber support and deviation disease of transfer piers, the causes of severe deviation disease of transfer piers of continuous beam bridge were revealed by the analysis on the data of 39 bridges, 130 bridge piers and 1 268 supports at the construction site and the anatomy analysis on some damaged supports. The analysis indicates that the deviation damage is easy to occur at transfer piers of the continuous beam bridge in such cases, the un-horizontal installation of bearing support surface, the large deviation of the installation of the support roof and support center and under the combined action of the force of the beam expansion under the temperature difference.

bridge engineering; continuous beam bridge; transfer piers; severe deviation; causes of disease

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.04

2015-02-12；

2015-07-29

田世清(1971—)，男，四川達(dá)州人，高級(jí)工程師，主要從事橋隧維修加固、橋梁健康監(jiān)測(cè)方面的研究。E-mail: 13308390607@189.cn。

王俊新(1986—)，男，河北秦皇島人，工程師，主要從事橋隧檢測(cè)及加固維修方面的研究。E-mail: 18896017358@189.com。

U445.7

A

1674-0696(2016)03-017-05