山區(qū)高速公路橋梁支座滑移病害原因研究

摘要 近年來，我國山區(qū)橋梁相繼出現(xiàn)支座滑移導(dǎo)致梁體移動、伸縮縫擠死、止水帶拉裂、墩柱偏移等現(xiàn)象，影響橋梁正常使用及行車安全。文章對某山區(qū)高速公路橋梁支座滑移進行了深入調(diào)查，對病害產(chǎn)生原因進行了分析探討，并就梁體的溫差、汽車活載、自重等因素對支座縱向滑移量的影響進行了分析。研究表明，梁體的溫差、汽車活載是引起支座滑移的重要因素，可為山區(qū)橋梁支座的設(shè)計類型選擇提供借鑒參考，對山區(qū)橋梁的設(shè)計、施工及養(yǎng)護提供一定的參考意義。

關(guān)鍵詞 高速公路；山區(qū)橋梁；支座滑移；病害

中圖分類號 U446 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0000-03

0 引言

板式橡膠支座一般直接安裝在墩臺及蓋柱上，支座中心頂、底部的機械結(jié)合面均未采取錨固措施，梁體和墩柱之間聯(lián)系較為薄弱。當(dāng)梁體遭受巨大的縱向應(yīng)力影響時，支座和梁體易產(chǎn)生相對滑動現(xiàn)象，當(dāng)相對滑動量累積到特定程度時，梁體則產(chǎn)生明顯的順坡滑移。為探究支座滑移病害的成因，積極引導(dǎo)橋梁施工技術(shù)和科學(xué)管養(yǎng)，該文通過對山區(qū)某橋梁的支座滑移現(xiàn)象進行深入的調(diào)查和分析，以揭示橋梁支座滑移產(chǎn)生的原因。

1 工程概況及病害狀況

某山區(qū)高速橋為主線上跨越深溝而建，主橋采用9×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土后張簡支T梁，每跨為5片T梁，縱坡為4%；引橋采用20 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土后張簡支空心板，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土柱式墩，重力式橋臺，雙柱式墩。

根據(jù)現(xiàn)場檢測，主要病害為支座縱向滑移，詳細病害狀況（如圖1所示）如下：

（1）伸縮縫被拉開，伸縮縫寬在夏季最大值達88 mm，冬季最大值達135 mm，伸縮縫止水帶被拉裂失效。

（2）伸縮縫對應(yīng)的第11跨蓋梁上的橫向擋塊破損失效，呈45%的剪切破壞。

（3）第12跨蓋梁上的小里程側(cè)支座呈現(xiàn)不同程度滑移，滑移值約7～10 cm，第11跨蓋梁上的大里程側(cè)支座剪切變形。

2 病害原因分析

結(jié)合橋梁外觀調(diào)查以及工程圖紙等資料，支座病害原因分析如下：

（1）第12跨T梁梁端被建渣充填，造成梁端抵死，溫度變化引起的梁體變形無法釋放，導(dǎo)致混凝土擋塊受擠壓破損失效。

（2）橋梁第11、12跨墩柱均向順橋方向有不同程度的傾斜，其中最大值為12-1#墩柱往小里程側(cè)傾斜90.3 mm，墩柱頂端往小里程側(cè)移動，上部結(jié)構(gòu)整體滑動超過了伸縮縫的有效伸縮行程，致使伸縮縫被拉開，止水帶脫落。

（3）該橋橋面縱坡為4%，橋梁縱坡較大，加之該地區(qū)夏季雨水較多，雨水順伸縮縫流入第12跨墩柱間隙，現(xiàn)場第12跨小里程側(cè)支座被泥沙充滿，而第12跨大里程側(cè)支座則相對較清潔，導(dǎo)致第12跨墩柱上的小里程側(cè)支座不同程度滑移7～10 cm并抵死，第11跨墩柱上大里程側(cè)支座剪切變形，而第12跨墩柱上的大里程側(cè)支座則無滑移現(xiàn)象。

（4）小里程側(cè)支座往小里程側(cè)滑移7～10 cm，而上部伸縮縫拉開間距為4 cm，支座與梁體間產(chǎn)生了相對滑移。

3 水平分力作用下墩頂偏移量有限元分析

3.1 計算制動力與上部結(jié)構(gòu)荷載水平分力

按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）第4.3.5條規(guī)定，單車道由汽車荷載產(chǎn)生的制動力為加載長度上計算總重量的10%。該節(jié)采用有限元分析其中一聯(lián)，長200 m，跨徑40 m，內(nèi)插求得集中力Pk=340 kN，qk=10.5 kN/m，則汽車總重量為3 800 kN，取10%即為380 kN。按規(guī)范規(guī)定，兩車道汽車制動力采用380 kN×2進行計算，即水平制動力∑H=760 kN。為簡化計算，各橋墩與梁體協(xié)同抗推，假設(shè)抗推剛度一致，該聯(lián)包括5跨6個蓋梁，其中2個邊蓋梁是中蓋梁的1/2抗推剛度；按照制動力平均分配，分配的水平制動力F=152 kN。上部結(jié)構(gòu)荷載對橋墩壓力的水平分力為Fx=G×cosθ×sinθ=199.2 kN。

3.2 梁的溫度變形

墩頂位移除受水平推力F外，還受溫度影響，溫度變化將引起梁體的伸縮變形，從而引發(fā)支座滑移，梁的溫度變形公式如下：

Δt=αt∑Li （1）

式中，α——橋跨結(jié)構(gòu)材料線膨脹系數(shù)，取用0.000 01；t——溫度升降范圍；∑Li——所計算的柔性墩按照支座布置情況應(yīng)承擔(dān)溫度力的橋跨長度（m）；Li——橋梁跨徑（m）。

依據(jù)四川地區(qū)橋梁冬季與夏季溫差為40℃進行計算，在溫度作用的影響下，40 m梁體在冬季和夏季溫差下的溫度變形為16 mm。

3.3 建模分析

為深層次分析支座滑移產(chǎn)生的原因以及避免大幅度支座滑移，采用墩柱不同高度、截面尺寸、不同縱坡度及結(jié)構(gòu)形狀的實際尺寸，采用Midas Civil 2021 有限元計算軟件建模對一定水平分力作用下的墩頂偏移量進行分析，詳細見表1及圖2所示：

通過調(diào)節(jié)各參數(shù)所得出的計算結(jié)果，水平推力F、橋墩剛度以及墩柱高度對于墩頂位移的影響較大。對比工況1與工況2可以得出墩高由20 m增加到40 m，相同坡度下的位移值增加了597%；對比工況1與工況3可以得出坡度由2%增加到4%，相同墩高下位移值增加了100%；對比工況2與工況4可以得到坡度由2%增加到4%，相同墩高下位移值增加了99.8%；工況5增加了汽車制動力，相比工況3位移值增加了69.6%，即縱坡方向與行車方向一致時最不利；對比工況6與工況1可以得出增大彎曲剛度EI可以提高橋墩的抗推剛度，從而減小墩頂位移。

因此，對于后續(xù)橋墩的設(shè)計，控制水平推力、墩柱剛度以及墩柱高度是控制墩頂位移的有效途徑。對于運營中的橋梁，可以通過減小行車速度或者減少車道數(shù)控制水平推力[1]。

4 板式橡膠支座剪切試驗研究

為研究板式橡膠支座承受的最大剪切變形量及支座剪切變形量能否滿足梁體的最大位移，對板式橡膠支座的抗剪彈性模量進行測試，使用微電控制電液伺服壓力試驗機，如圖4所示，利用位移傳感器測試其在不同剪應(yīng)力下的剪切變形位移值，從而分析當(dāng)橋梁支座承受不同剪應(yīng)力時剪切變形增量Δs的變化趨勢。

試驗采用49 mm厚度的板式橡膠支座，規(guī)格尺寸為350 mm×450 mm×69 mm，加載分10級加載，每級之間增量0.1 MPa，試驗數(shù)據(jù)如表2所示：

由表2和圖3可知，隨著剪應(yīng)力的逐漸增大，剪切變形增量Δs呈現(xiàn)線性增長的趨勢，二者符合y=?2.31+0.05x

+8.76×10?4x?2?1.71×10?6x3的三次線性擬合關(guān)系，R2=0.996。以該橋為例，一片40 m T梁重量大約為1 350 kN，一片40 m T梁上鋪裝重量為450 kN，每個板式橡膠支座豎直承載力為900 kN，板式橡膠支座摩擦系數(shù)為0.2，承受的最大靜摩擦力為180 kN，對應(yīng)的Δs為25.1 mm。

當(dāng)支座所受水平推力超過最大靜摩擦力時，支座將由靜力剪切變形變?yōu)榛瑒?，同時釋放剪切變形，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)荷載的水平分力+汽車制動力共同作用時，支座變形可達23.4 mm，溫度作用下的梁體變形最大為16 mm，兩者均小于最大靜摩擦力對應(yīng)的Δs為25.1 mm，支座和梁體不會發(fā)生相對滑動，兩者影響相加時則大于最大靜摩擦力，支座和梁體相對滑動。即支座單獨受上部荷載的水平分力+制動力的共同作用，或者單獨受溫度作用時，支座和梁體不會發(fā)生相對滑動，支座上部荷載的水平分力+制動力+溫度影響共同作用時，支座和梁體將發(fā)生相對滑動。

5 總結(jié)分析

通過對支座滑移病害發(fā)生的機理進行研究總結(jié)，產(chǎn)生上述病害的部分因素如下：

（1）對于長大縱坡橋梁，當(dāng)支座所受汽車制動力大于支座摩阻力時，支座與梁體將發(fā)生相對滑動。橋梁縱坡的存在，上部結(jié)構(gòu)的重力分力無其他外力作用抵消，梁體相對滑動的位移也無法自行回復(fù)[2]。在長期的汽車制動力下，隨著支座剪切變形、支座和梁體的相應(yīng)滑動位移逐漸積累，最后使梁體出現(xiàn)更為明顯的順坡向下滑移病害。

（2）相鄰兩聯(lián)橋梁長度相差較大時，在溫度作用下，橋墩兩側(cè)受力不平衡，橋墩將發(fā)生變形，如升溫狀態(tài)下，橋墩可能發(fā)生向右的變形且向梁體一側(cè)發(fā)生滑動；在降溫狀態(tài)下，在重力的分力和溫度共同作用下，梁體與支座間產(chǎn)生滑動，產(chǎn)生梁體向左、蓋梁向右的相對位移。隨著時間的推移，這種相對位移的累積變形越來越大，最終導(dǎo)致支座及梁體滑移。

（3）支座滑移及墩柱偏移值與上部結(jié)構(gòu)荷載大小、橋面坡度大小、橋墩直徑、橋墩結(jié)構(gòu)形式以及高度等因素有關(guān)。在上部荷載、橋墩直徑和高度一定的情況下，支撐面坡度越大，則橋墩偏移值越大。

6 結(jié)語

對既有山區(qū)橋梁的支座滑移檢測及其病害特征成因分析研究，有利于豐富完善橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計?；谝陨锨闆r，對以后的橋梁檢測提出以下幾點展望：

（1）針對山區(qū)高速公路，在設(shè)計階段就需要從多方面考慮，充分考慮建造時產(chǎn)生的各種誤差，尤其是針對極端氣候頻發(fā)區(qū)域建設(shè)的橋梁，必要時還需進行空間分析，如增設(shè)限位措施等。

（2）支座系統(tǒng)調(diào)平措施不能忽視，應(yīng)在施工過程中確保支座保持水平受力狀態(tài)。

（3）在橋梁運營養(yǎng)護中應(yīng)建立伸縮縫寬度變化的數(shù)據(jù)臺賬，在最高溫和最低溫時對伸縮縫的寬度變化進行測量，以便掌握橋梁的整體位移情況。

參考文獻

[1]張溥洋.山區(qū)高橋墩墩頂水平位移計算分析[D].西安：長安大學(xué)，2012.

[2]蔡昌偉.公路連續(xù)坡橋主梁順坡向滑移研究[D]. 西安：長安大學(xué)，2020.