在役簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)連續(xù)化改造中的支座選型研究*

代 力 劉 強(qiáng) 江祥林

(1.江西省交通科學(xué)研究院 南昌 330200； 2.長大橋梁建設(shè)技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心 南昌 330200；3.江西贛鄂皖路橋投資有限公司 九江 332000)

1 工程概述

某橋上部結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)跨徑40 m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，梁高2.2 m，橫向由8片梁組成，每隔40 m有1道伸縮縫。由于密集存在的伸縮裝置，該橋主要存在以下問題：①行車舒適度較差；②伸縮裝置一定程度上增大了車輛的沖擊效應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部損傷；③大量伸縮裝置給橋梁日常維修管養(yǎng)帶來負(fù)擔(dān)[1-4]。因此，擬采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)方案對(duì)該橋進(jìn)行技術(shù)改造。

橋梁支座的主要作用是將橋跨結(jié)構(gòu)上的恒載與活載反力傳遞到橋墩的墩臺(tái)上，同時(shí)保證橋跨結(jié)構(gòu)所要求的位移與轉(zhuǎn)動(dòng)，以便使結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況與理論計(jì)算相符合。不同形式支座對(duì)結(jié)構(gòu)受力有較大影響，本文主要通過單、雙支座的比選和不同彈性橡膠支座的選擇進(jìn)行研究。

2 單、雙支座橋梁結(jié)構(gòu)受力分析

簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋按支座數(shù)量可分為單支座和雙支座2種結(jié)構(gòu)型式，本文針對(duì)這2種結(jié)構(gòu)型式分別設(shè)計(jì)了不同的改造方案，單支座和雙支座的改造設(shè)計(jì)圖分別見圖1、圖2。

圖1 單支座橋梁結(jié)構(gòu)連續(xù)

圖2 雙支座橋梁結(jié)構(gòu)連續(xù)(單位:mm)

2.1 單、雙支座內(nèi)力分析

原橋采用鋼支座，現(xiàn)在較少使用，改造后仍采用鋼支座已不再合適，為了研究單、雙支座對(duì)主梁內(nèi)力及支座反力的影響，改造方案采用GJZ 450×500×99型橡膠支座，支座各向剛度SDx=1 362 785 N/mm ，SDy=2 273 N/mm ，SDz=2 273 N/mm。

采用miads Civil建立了四跨一聯(lián)的簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋計(jì)算模型，建模時(shí)考慮施工過程體系轉(zhuǎn)換，并在結(jié)構(gòu)連續(xù)后一次性施加二期恒載為11.15 kN/m。并進(jìn)行了4種工況的結(jié)構(gòu)受力分析，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同工況及支承方式下主梁內(nèi)力值 kN·m

由表1可見，在恒載、汽車荷載(公路-I級(jí))、人群荷載及正梯度溫度共同作用下，最大正彎矩發(fā)生在邊跨跨中附近，單支座的跨中正彎矩在一般情況下大于雙支座的跨中正彎矩；最大負(fù)彎矩均出現(xiàn)在1，3號(hào)墩(根據(jù)加固圖紙按前進(jìn)方向?qū)蚨找来尉幪?hào)，由北向南依次為0，1，2，3，4號(hào))，單支座的墩頂負(fù)彎矩均小于雙支座的墩頂負(fù)彎矩。

根據(jù)各項(xiàng)荷載產(chǎn)生的內(nèi)力值，其承載能力極限狀態(tài)下的內(nèi)力組合值見表2。

表2 單、雙支座承載能力極限狀態(tài)邊梁內(nèi)力組合值

從表2可見，雙支座橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力較單支座略小，特別是對(duì)墩頂負(fù)彎矩減幅比較明顯，減小了8.6%，墩頂剪力減小了5.5%；邊跨跨中正彎矩減小較少，為1.5%。

2.2 承載能力極限狀態(tài)下邊梁反力組合值

在不考慮反力橫向分布系數(shù)沿橋跨縱向變化的情況下對(duì)單、雙支座邊梁的最大和最小支反力進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果見表3和表4。表中荷載組合為1.2恒載+1.4汽車荷載+0.7×1.4×(溫度荷載+人群荷載)。

表3 單支座承載能力極限狀態(tài)下邊梁支反力 kN

表4 雙支座承載能力極限狀態(tài)下邊梁支反力 kN

由表3和表4可知，采用單支座，最大反力出現(xiàn)在1、3號(hào)墩上支座為2 889.8 kN，最小反力出現(xiàn)在0、4號(hào)墩上支座為666.3 kN；采用雙支座，最大反力出現(xiàn)在1號(hào)墩左、3號(hào)墩右支座為2 106.5 kN，小于采用單支座形式下的支反力；最小反力組合出現(xiàn)在1號(hào)墩右、3號(hào)墩左支座為201.8 kN。由此可見，采用單支座、雙支座(GJZ 450×500×99橡膠支座)均不會(huì)出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

2.3 單、雙支座連續(xù)結(jié)構(gòu)形式比選

綜合上述結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果，同時(shí)考慮施工和運(yùn)營等其他因素的影響，各結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)見表5。

表5 簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)、單支座和雙支座連續(xù)結(jié)構(gòu)3種結(jié)構(gòu)型式對(duì)比

由表5可見，從結(jié)構(gòu)受力角度來說，橋梁結(jié)構(gòu)形式從簡(jiǎn)支變連續(xù)后跨中最大彎矩會(huì)有一定程度的減小，雙支座結(jié)構(gòu)減小的程度較單支座大；從施工工藝比較，單、雙支座結(jié)構(gòu)在墩頂負(fù)彎矩處構(gòu)造復(fù)雜，但雙支座相比單支座施工更為方便。綜合考慮后，改造方案中采用雙支座連續(xù)結(jié)構(gòu)更為合適。

3 雙支座橋梁結(jié)構(gòu)連續(xù)的支座選型

3.1 板式橡膠支座選型

板式橡膠支座一般由數(shù)層薄橡膠片與剛性加勁材料粘結(jié)而成。由于鋼板的加勁，阻止橡膠片的側(cè)向膨脹，從而提高了橡膠片的抗壓能力，同時(shí)由于橡膠有良好的彈性，可以適應(yīng)梁端轉(zhuǎn)動(dòng)，有較大剪切變形以滿足上部構(gòu)造的水平位移。

支座對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，反映在計(jì)算模型上主要是豎向剛度，為了從中選擇出較為合理的支座型號(hào)，通過查閱GJZ板式橡膠支座的規(guī)格型號(hào)，并對(duì)他們的參數(shù)進(jìn)行比較，得出板式橡膠支座的豎向剛度與橡膠支座總厚度成反比的結(jié)論，豎向剛度為5×105～2×106N/mm。為了研究支座剛度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，分別采用GJZ 400×400×99(豎向剛度為685 650 N/mm)和GJZ 450×500×99(豎向剛度為1 362 785 N/mm)型支座，2種支座豎向剛度相差比較大，兩端伸縮縫所在位置采用對(duì)應(yīng)型號(hào)的四氟滑板支座進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)受力計(jì)算。

3.2 不同形式支座活載作用產(chǎn)生的內(nèi)力分析

對(duì)剛性支座、GJZ 400×400×99和GJZ 450×500×99 3種支座橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2.1對(duì)汽車荷載沖擊系數(shù)的影響

汽車荷載沖擊系數(shù)與結(jié)構(gòu)基頻有關(guān)，3種不同支座對(duì)橋梁動(dòng)力性能參數(shù)的影響見表6。

表6 不同支座下的動(dòng)力性能參數(shù)

由表6可知，支座的豎向剛度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的基頻有一定影響，支座豎向剛度越大，結(jié)構(gòu)基頻越大，對(duì)應(yīng)的沖擊系數(shù)也越大。由此可見，相對(duì)于剛性支座，橡膠支座能夠明顯減小汽車荷載的沖擊作用。而通過2種板式橡膠支座比較可知，常用板式橡膠支座的剛度變化范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)變化不大。

3.2.2對(duì)公路-I級(jí)汽車荷載的影響

考慮汽車荷載橫向分布系數(shù)為0.525(邊梁)，考慮汽車荷載沖擊系數(shù)和不考慮汽車荷載沖擊系數(shù)的影響，邊跨跨中附近最大正彎矩和墩頂最大負(fù)彎矩見表7。

表7 公路-I級(jí)汽車荷載作用下的、不同沖擊系數(shù)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力 kN·m

由表7可見，綜合考慮汽車荷載沖擊系數(shù)后，由于板式橡膠支座的豎向剛度有一定范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)采用不同型號(hào)的板式橡膠支座對(duì)結(jié)構(gòu)彎矩影響較小，而相對(duì)于剛性支座，橡膠支座可以明顯減小墩頂負(fù)彎矩。

3.3 不同型號(hào)橡膠支座支反力

依據(jù)公路橋梁荷載橫向分布計(jì)算得到支反力荷載橫向分布系數(shù)，再根據(jù)支反力的縱向影響線，將空間結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化為平面結(jié)構(gòu)，從而計(jì)算得到支座反力。

3.3.1荷載橫向分布系數(shù)

近似計(jì)算時(shí)通常認(rèn)為橡膠支座對(duì)橋端荷載橫向分布系數(shù)m0的影響較大，而m0對(duì)于計(jì)算梁端及其附近截面車輛荷載產(chǎn)生的剪力起著重要作用[5-6]。采用2種支座形式的梁端荷載橫向分布系數(shù)見表8。

表8 不同支座的梁端荷載橫向分布系數(shù)

3.3.2支反力影響線

2種彈性橡膠支座考慮荷載橫向分布系數(shù)沿縱橋向變化的各墩邊梁(1號(hào)梁)支反力影響線對(duì)比圖分別見圖3～圖6。

圖3 0號(hào)墩支座支反力影響線

圖4 1號(hào)墩左支座支反力影響線

圖6 2號(hào)墩左支座支反力影響線

由圖3～圖6可知，GJZ 400×400×99和GJZ 450×500×99型橡膠支座(彈性支座)后支座支反力影響線峰值大幅度減小。

3.3.3支反力組合值

2種橡膠支座承載能力極限狀態(tài)下各支座反力組合值分別見表9、表10。

表9 GJZ 400×400×99型橡膠支座承載能力極限狀態(tài)下各橡膠支座反力組合值 kN

表10 GJZ 450×500×99型橡膠支座承載力極限狀態(tài)下各橡膠支座反力組合值 kN

由表9和表10可以得到以下結(jié)論：

1) 采用GJZ 400×400×99和GJZ 450×500×99 2種不同類型支座對(duì)成橋狀態(tài)恒載、梯度溫度和人群荷載產(chǎn)生的支反力值影響很小，主要受影響的是汽車活載。

2) 2種支座最小支反力組合值都大于0，表明不會(huì)出現(xiàn)支座脫空；

3) 2種支座最大支反力組合值均出現(xiàn)在1號(hào)墩邊梁左支座，分別為1 700.9 kN和2 019.8 kN；

4) 最小支反力組合值均出現(xiàn)在1號(hào)墩邊梁右支座，分別為621.3 kN和298.4 kN。

3.4 板式橡膠支座最終選型

根據(jù)上述支座支反力值，結(jié)合我國JTG 3362-2018 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)支座進(jìn)行驗(yàn)算。

一般情況下，板式橡膠支座承載能力的安全系數(shù)為3.0，GJZ 400×400×99型板式橡膠支座的最大承載力為1 521 kN，支座與混凝土接觸時(shí)的抗滑最小承壓力為373 kN，支座與鋼接觸時(shí)的抗滑最小承壓力為560 kN，計(jì)算得到的最大支反力組合值為1 700.9 kN，超過該型號(hào)的最大承載力1 521 kN的11.8%，在可接受的范圍之內(nèi)，因此，GJZ 400×400×99型板式橡膠支座滿足要求。

GJZ 450×500×99型板式橡膠支座的最大承載力為2 156 kN，支座與混凝土接觸時(shí)的抗滑最小承壓力為525 kN，支座與鋼接觸時(shí)的抗滑最小承壓力為788 kN，計(jì)算得到的最大支反力組合為2 019.8 kN，小于該型號(hào)的最大承載力2 156 kN，但是，最小支反力組合值為298.4 kN，小于該型號(hào)與鋼接觸的抗滑最小承壓力為788 kN(按部分支座保留了原預(yù)埋鋼板考慮)，因此，GJZ 450×500×99型板式橡膠支座不能滿足要求。

4 結(jié)論

1) 主梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支變連續(xù)后，跨中最大彎矩有一定程度的減小，雙支座結(jié)構(gòu)減小的程度較單支座大；考慮施工工藝，單、雙支座結(jié)構(gòu)在墩頂負(fù)彎矩處構(gòu)造復(fù)雜，但雙支座相比單支座施工較為方便。因此，雙支座連續(xù)結(jié)構(gòu)更為合適。

2) 采用GJZ 400×400×99和GJZ 450×500×99 2種不同類型支座對(duì)成橋狀態(tài)恒載、梯度溫度和人群荷載產(chǎn)生的支反力值影響很小，對(duì)汽車荷載影響較大。

3) 板式橡膠支座豎向剛度越大，汽車荷載產(chǎn)生的最大支反力和負(fù)反力(絕對(duì)值)也越大。

4) GJZ 450×500×99型最小支反力組合小于其對(duì)應(yīng)抗滑最小承壓力，GJZ 400×400×99型板式橡膠支座的最大承載力為1 521 kN，支座與混凝土接觸時(shí)的抗滑最小承壓力為373 kN，支座與鋼接觸時(shí)的抗滑最小承壓力為560 kN，計(jì)算得到的最大支反力組合為1 700.9 kN，超過該型號(hào)的最大承載力1 521 kN的11.8%，最小支反力值為621.3 kN，大于抗滑最小承壓力560 kN，同時(shí)，一般情況下，板式橡膠支座承載能力的安全系數(shù)為3.0，選擇GJZ 400×400×99型板式橡膠支座相對(duì)合理。