坡度自適應(yīng)球型支座在橋梁高墩糾偏中應(yīng)用效果研究

杜海鑫

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

近幾年，遼寧省山區(qū)高速公路多座大縱坡T梁橋出現(xiàn)了橋墩墩頂縱向偏位、墩底開裂、支座滑移失效等病害。針對這類典型病害[1-5]，普遍認(rèn)為是支座安裝不水平導(dǎo)致的，上部結(jié)構(gòu)恒載、活載和溫度荷載等作用在不水平支座上，造成或加劇橋墩偏位。為此，要從根本上解決這一系列問題，需研究病害產(chǎn)生的機(jī)理，從而改善橋墩受力狀態(tài)，確保橋梁運(yùn)營安全。

1 橋墩墩頂偏移病害產(chǎn)生的原因

1.1 理論分析

在初始情況下，T梁架設(shè)完成后，如果梁底支座鋼板不在水平狀態(tài)，則上部結(jié)構(gòu)通過支座向蓋梁傳遞的支反力G可分解為一個(gè)垂直于滑面的法相力Gcosθ和平行于滑面的切向力Gsinθ，此時(shí)的切向力一般小于支座的滑動(dòng)靜摩擦力，支座滑動(dòng)面不滑動(dòng)，不存在水平外力，詳見圖1初始狀態(tài)。

當(dāng)整體升溫時(shí)，上部結(jié)構(gòu)由于溫度上升產(chǎn)生體積膨脹，在簡支端伸縮縫處相鄰的兩個(gè)梁端出現(xiàn)相互靠近趨勢，當(dāng)由于升溫在支座處水平力Hw與Gsinθ的合力小于滑動(dòng)靜摩擦力μGcosθ時(shí)，兩個(gè)支座均不滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)僅發(fā)生彈性變形。蓋梁中產(chǎn)生的水平抗力為Hd=(Hw2-Hw1)cosθ，隨著溫度升高，上坡端支座首先滑動(dòng)，下坡端支座后滑動(dòng)，此時(shí)

Hw2=μG2cosθ+G2sinθ

Hw1=μG1cosθ-G1sinθ

則Hd=[μ(G2-G1)cosθ+(G1+G2)sinθ]cosθ

一般情況下G1=G2，則Hd=2G1sinθcosθ，表明橋墩受到向上坡方向的水平推力。同理，整體降溫時(shí)，也可得出以上結(jié)論。

1.2 有限元分析

采用有限元程序設(shè)置滯后系統(tǒng)方式模擬滑動(dòng)支座的力學(xué)特性，并通過非線性時(shí)程函數(shù)模擬上部結(jié)構(gòu)整體升溫降溫循環(huán)。如圖2、圖3所示，計(jì)算結(jié)果較直觀地反應(yīng)出設(shè)置了傾斜支座的橋墩無論是在升溫還是降溫狀態(tài)下均發(fā)生了向上坡端位移的情況，這與理論分析一致。

圖1 蓋梁受力狀態(tài)示意

圖2 整體升溫狀態(tài)

圖3 整體降溫狀態(tài)

綜上所述，如果支座安裝不水平，則無論升溫還是降溫，墩頂均會(huì)發(fā)生向上坡方向的位移。同時(shí)，梁體伸長或縮短時(shí)，支座上鋼板端部很容易滑入四氟滑板內(nèi)，造成四氟滑板的滑動(dòng)面出現(xiàn)局部壓槽，導(dǎo)致上鋼板卡在壓槽內(nèi)，失去正?；瑒?dòng)功能，上鋼板只能單向滑動(dòng)，不能回復(fù)滑動(dòng)，周而復(fù)始，導(dǎo)致墩頂向上坡方向位移逐漸累加，引發(fā)橋墩偏移病害。

2 坡度自適應(yīng)球形支座設(shè)計(jì)理念

為解決現(xiàn)役T梁梁底支座安裝不水平的問題，從支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，如圖4所示，與傳統(tǒng)球形支座不同，創(chuàng)新性地提出將支座球面朝上的設(shè)計(jì)理念。即水平鋼板、球冠襯板的平面朝向墩臺方向，支座產(chǎn)生位移時(shí)水平鋼板不動(dòng)，支座上座板和球冠襯板隨梁體的位移而位移，支座轉(zhuǎn)角隨著墩臺和梁板之間的夾角而產(chǎn)生，水平鋼板的水平度靠墩臺平整度產(chǎn)生。因?yàn)榍蚬谝r板隨位移產(chǎn)生移動(dòng)，所以支點(diǎn)是變化的，因而不產(chǎn)生力矩，不影響支座承載力和位移。

圖4 支座設(shè)計(jì)示意圖

總體上，坡度自適應(yīng)球型鋼支座水平鋼板放置在墩臺上，優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)采用加大曲率的球面來適應(yīng)梁底坡度不平，橋梁縱坡不大于4%的情況下無須設(shè)置楔形墊板，減小用楔形鋼板帶來的水平度誤差，安裝方便快捷。

(2)墩臺水平度施工方便，水平度得以有效控制，支座水平鋼板與墩臺表面接觸良好，降低施工難度。

(3)在下支座鋼板兩個(gè)方向上均增設(shè)了水平液位計(jì)，方便施工和后期檢查維護(hù)。

(4)安裝后增設(shè)防塵罩，有效保護(hù)支座免受環(huán)境污染，增強(qiáng)支座耐久性。

3 橋梁高墩糾偏效果分析

3.1 高墩豎直度變化分析

對存在上述病害的橋梁高墩進(jìn)行糾偏施工，并更換為坡度自適應(yīng)球型支座，一定時(shí)間段后對高墩豎直度進(jìn)行復(fù)測，通過施工前后的對比分析，判定高墩豎直度糾偏的效果。合計(jì)統(tǒng)計(jì)了15座高速橋梁共95個(gè)墩柱相關(guān)數(shù)據(jù)。經(jīng)分析可將高墩糾偏前后系統(tǒng)地分為以下7種狀態(tài)，如圖5所示，①、②、③分別表示墩柱的初始豎直度、糾偏施工后豎直度和復(fù)測豎直度，虛線表示墩柱的理論設(shè)計(jì)軸線。狀態(tài)1表示對橋墩初始豎直度偏差進(jìn)行一定量值的糾正，糾偏后豎直度偏差與初始偏差同向，復(fù)測時(shí)豎直度偏差有所增加，即橋墩軸線偏離設(shè)計(jì)軸線，但未超過初始偏差；狀態(tài)2表示對橋墩初始豎直度偏差進(jìn)行較大量值的糾正，糾偏后豎直度偏差與初始偏差反向，復(fù)測時(shí)豎直度偏差有所減小，即橋墩軸線趨于設(shè)計(jì)軸線；狀態(tài)3表示對橋墩初始豎直度偏差進(jìn)行一定量值的糾正，糾偏后豎直度偏差與初始偏差同向，復(fù)測時(shí)豎直度偏差有所減小，即橋墩軸線趨于設(shè)計(jì)軸線；同理，其他幾個(gè)狀態(tài)見圖5。

理論上來講，狀態(tài)2和狀態(tài)3最為理想，糾偏后墩柱線形趨于設(shè)計(jì)軸線，說明糾偏效果顯著；狀態(tài)5

圖5 墩柱糾偏前后狀態(tài)

最為不利，糾偏后墩柱線形越發(fā)偏離設(shè)計(jì)軸線，墩柱豎直度未得到改善，產(chǎn)生這一問題的主要原因是施工順序不對或糾偏措施不當(dāng)導(dǎo)致墩柱豎直度偏差加劇，這一狀態(tài)是糾偏施工中應(yīng)當(dāng)避免的情況。

從圖6(a)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，糾偏施工后約90%的橋墩處于狀態(tài)1、狀態(tài)2和狀態(tài)3，其中狀態(tài)1比重最大，約為62%，這說明大部分墩柱糾偏后偏差度有一定量值的回復(fù)。定義高墩豎直度改善率=(①-③)/①，剔除狀態(tài)5后(狀態(tài)5對應(yīng)的墩柱豎直度未得到改善)，如圖6(b)統(tǒng)計(jì)可以看出，約67%的墩柱改善率達(dá)到40%以上，基本達(dá)到了墩柱糾偏施工的目的。狀態(tài)1的改善率大部分在40%～60%，狀態(tài)2、狀態(tài)3的改善率達(dá)到80%～100%范圍內(nèi)居多，這也再次說明狀態(tài)2、狀態(tài)3的糾偏效果較為顯著。

圖6 高墩狀態(tài)及豎直度改善率統(tǒng)計(jì)

通過以上數(shù)據(jù)分析可以看出，通過橋墩糾偏施工并更換新支座后，大部分橋墩出現(xiàn)了不同程度的復(fù)位現(xiàn)象，個(gè)別橋墩的復(fù)位值達(dá)到糾偏值的70%以上。經(jīng)分析產(chǎn)生復(fù)位的原因主要?dú)w結(jié)為以下幾方面：

(1) 糾偏施工只能恢復(fù)橋墩部分彈性變形，若橋墩在糾偏前已出現(xiàn)塑性變形，該部分變形無法恢復(fù)。

(2) 個(gè)別橋墩由于施工質(zhì)量控制不得當(dāng)，導(dǎo)致施工期間即出現(xiàn)了豎直度問題，即存在“先天缺陷”，無法通過糾偏施工恢復(fù)橋墩豎直度。

(3) 既有橋梁橋墩出現(xiàn)豎直度偏差，說明糾偏前橋墩及對應(yīng)位置的上部結(jié)構(gòu)即處于一種自平衡狀態(tài)，人為糾偏后，僅是調(diào)整了墩身本身的位置，未達(dá)到平衡狀態(tài)，糾偏后橋墩會(huì)有一定的復(fù)位。

3.2 支座變化情況分析

在檢測墩柱豎直度過程中，也對新更換的支座進(jìn)行了調(diào)查。從現(xiàn)場調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，大部分新支座防塵罩依然完好，少部分防塵罩破損，支座本身未見明顯的損壞和較大的縱向滑移；支座兩側(cè)水平液位計(jì)中氣泡基本處于中間位置。總體上來說，坡度自適應(yīng)球型支座應(yīng)用效果較好，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)、適應(yīng)既有T梁的梁底坡度，可在很大程度上釋放由于支座安裝不水平導(dǎo)致的墩頂向上坡方向的水平推力。

4 結(jié)論

通過理論計(jì)算和有限元分析闡述了高墩、大縱坡T梁橋墩頂縱向偏移問題產(chǎn)生的機(jī)理，即梁底支座安裝不水平導(dǎo)致墩頂產(chǎn)生向上坡方向的水平推力，為解決這一問題，提出了坡度自適應(yīng)球型支座設(shè)計(jì)理念。通過跟蹤測量與分析表明，橋墩糾偏施工配合更換該球型支座，可有效釋放由于支座安裝不水平導(dǎo)致的墩頂水平推力，進(jìn)而減小橋墩豎直度偏差，改善橋墩受力狀態(tài)。在高墩糾偏以及大縱坡高墩橋梁新建中該支座有較大的應(yīng)用前景。