剪力銷(xiāo)在橋梁同步頂升支座更換中的應(yīng)用研究

摘要 在橋梁頂升支座更換的施工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到梁底支座周邊空間不夠無(wú)法布置千斤頂?shù)那闆r。該文介紹了在梁底橋墩蓋梁相應(yīng)位置安裝剪力銷(xiāo)作為橋梁頂升支撐平臺(tái)，用以布置千斤頂?shù)姆椒?，并?duì)剪力銷(xiāo)進(jìn)行了施工可行性的理論分析。結(jié)合工程實(shí)例，介紹了剪力銷(xiāo)施工安裝要點(diǎn)，對(duì)預(yù)壓試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明：剪力銷(xiāo)臨時(shí)支架滿(mǎn)足橋梁同步頂升的要求。研究成果對(duì)相關(guān)的橋梁支座更換工程具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞 橋梁頂升；剪力銷(xiāo)；支撐平臺(tái)；理論分析

中圖分類(lèi)號(hào) U442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）21-0100-04

0 引言

對(duì)于板式橡膠支座，其隨著使用時(shí)間的推移會(huì)出現(xiàn)鼓凸、老化開(kāi)裂以及剪切變形超限等病害。目前工程中往往采用在梁底病害支座周邊布置千斤頂頂升梁體的方法，對(duì)上述病害支座進(jìn)行更換[1-2]。但有時(shí)會(huì)遇到梁底支座周邊空間受限，不足以布置千斤頂?shù)那闆r，這時(shí)需要額外搭設(shè)支撐平臺(tái)。目前常見(jiàn)的平臺(tái)搭設(shè)方法有支架法、鋼抱箍法、鞍形支架法和鋼扁擔(dān)法等，這些方法都具有一定的適用條件和施工限制[3-4]。該文引入了在梁底橋墩蓋梁相應(yīng)位置安裝剪力銷(xiāo)作為梁體頂升支撐平臺(tái)，用以布置千斤頂?shù)男路桨?，相比于其他支撐體系，剪力銷(xiāo)具有操作簡(jiǎn)單、施工方便、造價(jià)較低的特點(diǎn)，在橋梁支座更換工程中具有一定的應(yīng)用前景。

1 剪力銷(xiāo)構(gòu)造

剪力銷(xiāo)裝置主要由鋼牛腿、銷(xiāo)體和錨固螺栓組成。鋼牛腿采用槽鋼和大小不等的Q235鋼板焊接而成[5]；銷(xiāo)體采用45#鋼加工而成；錨固螺栓按剪力銷(xiāo)實(shí)際承受荷載選用合適的強(qiáng)度級(jí)別和錨固深度。剪力銷(xiāo)鋼牛腿的頂面往往還會(huì)放置下墊梁，然后再于下墊梁頂面布置千斤頂。下墊梁起到了調(diào)節(jié)千斤頂與主梁位置，以及將頂升力最終傳遞到剪力銷(xiāo)各個(gè)鋼牛腿上的作用。下墊梁可選用合適的槽鋼和大小不等的鋼板焊接而成。剪力銷(xiāo)的鋼牛腿通過(guò)銷(xiāo)體及錨固螺栓固定在主梁正下方的蓋梁上。在牛腿安裝前，要根據(jù)千斤頂?shù)牟荚O(shè)位置和頂升梁體的高度確定好安裝位置，在蓋梁上放樣鉆制錨固螺栓植筋孔和銷(xiāo)體圓錐孔。錨栓螺紋及緊固螺母由工廠配置，剪力銷(xiāo)委托工廠機(jī)床加工，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的尺寸精度、錐度及光潔度。剪力銷(xiāo)作為梁體頂升支撐平臺(tái)的安裝布置如圖1所示。

圖1 剪力銷(xiāo)安裝示意

2 剪力銷(xiāo)力學(xué)計(jì)算式

剪力銷(xiāo)鋼牛腿的平衡主要依靠銷(xiāo)體和錨固螺栓。當(dāng)鋼牛腿頂面作用有豎向荷載時(shí)，鋼牛腿對(duì)銷(xiāo)體產(chǎn)生剪力作用，對(duì)錨固螺栓產(chǎn)生拉力作用。剪力銷(xiāo)計(jì)算力學(xué)圖示如圖2，其中d為鋼牛腿頂面等效豎向集中荷載到蓋梁正面的距離，h為銷(xiāo)體軸線(xiàn)到鋼牛腿底部的距離。

若鋼牛腿對(duì)銷(xiāo)體的剪力為FS，對(duì)錨固螺栓的拉力為FT，鋼牛腿所受豎向荷載的等效集中荷載為Pn，則由鋼牛腿的力學(xué)平衡方程可得：

（1）

從公式（1）中計(jì)算得出FS和FT后，可對(duì)銷(xiāo)體和錨固螺栓的承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。

（1）銷(xiāo)體

銷(xiāo)體截面受到鋼牛腿的剪力作用，其截面剪應(yīng)力需不超出容許剪應(yīng)力值，即：

τ=FS/A1≤[τ0] （2）

其中：FS——鋼牛腿對(duì)銷(xiāo)體的剪力（N）；

A1——銷(xiāo)體的截面面積（mm2）；

[τ0]——銷(xiāo)體的容許剪應(yīng)力（MPa）。

（2）錨固螺栓

錨固螺栓與混凝土的黏結(jié)是通過(guò)在蓋梁對(duì)應(yīng)位置鉆孔植筋并植入植筋膠來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在錨固螺栓受拉過(guò)程中，與混凝土黏結(jié)力的大小決定了其最大受拉承載力。故對(duì)剪力銷(xiāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要求錨栓的實(shí)際承受的拉力要小于其最大受拉承載力，并考慮一定的安全系數(shù)。

FT≤[N0] （3）

[N0]=NR/μ （4）

NR=π·d·hef·τRk （5）

其中：FT——鋼牛腿對(duì)錨固螺栓的拉力（N）；

[N0]——錨固螺栓的容許拉力（N）；

NR——錨固螺栓與混凝土的最大黏結(jié)力（N）；

μ——錨固螺栓的安全系數(shù)（一般取2）；

hef——錨栓的有效錨固深度（mm）；

τRk——植筋膠黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)于一般植筋膠取4 MPa。

（3）銷(xiāo)孔混凝土承壓

剪力銷(xiāo)承受荷載時(shí)，銷(xiāo)體對(duì)其下面接觸的混凝土產(chǎn)生壓力FN，量值上等于鋼牛腿對(duì)銷(xiāo)體的剪力FS。在剪力銷(xiāo)的設(shè)計(jì)中需對(duì)銷(xiāo)孔混凝土的承壓能力進(jìn)行驗(yàn)算：

σ=FN/A2≤[σ0] （6）

A2=l·d （7）

其中：σ——銷(xiāo)孔混凝土表面壓應(yīng)力（MPa）；

σ0——蓋梁混凝土容許壓應(yīng)力（MPa）；

A2——銷(xiāo)孔等效承壓面積（mm2）；

l——銷(xiāo)孔深度（mm）；

d——銷(xiāo)孔截面直徑（mm）。

由上面驗(yàn)算公式可知，在對(duì)剪力銷(xiāo)各構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)，需先確定各個(gè)鋼牛腿分配到的豎向荷載大小。從圖1中可以看出，在進(jìn)行梁體的頂升時(shí)，主梁的重力傳至千斤頂，再經(jīng)由墊梁分配到4片鋼牛腿上，而鋼牛腿頂面的豎向荷載最終實(shí)際由銷(xiāo)體承擔(dān)。根據(jù)下墊梁和剪力銷(xiāo)的安裝布置，可將頂升力在各個(gè)銷(xiāo)體間分配的力學(xué)圖示繪制如圖3。

圖中P為千斤頂對(duì)墊梁作用的等效集中荷載，L1為銷(xiāo)體間的中心距，L2為千斤頂間的中心距。根據(jù)上述計(jì)算圖示，可得到鋼牛腿對(duì)各個(gè)銷(xiāo)體的剪力：

FS=P/2 （8）

3 工程實(shí)例

某高速橋梁上部結(jié)構(gòu)采用7×30 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，預(yù)制安裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支橋面連續(xù)。該橋在定期檢查中發(fā)現(xiàn)板式橡膠支座存在嚴(yán)重病害需要更換，但梁底支座周邊空間有限，需搭設(shè)額外的頂升支撐平臺(tái)來(lái)布置千斤頂。

經(jīng)計(jì)算，該橋在結(jié)構(gòu)恒載作用下，主梁各支點(diǎn)處的支反力為463 kN；在恒載和汽車(chē)荷載作用下各支點(diǎn)處的最大支反力為772 kN。恒載理論支反力用于控制梁體同步頂升過(guò)程，各支點(diǎn)在恒載和汽車(chē)荷載作用下的最大支反力用于配置千斤頂噸位。支撐平臺(tái)搭設(shè)采用安裝剪力銷(xiāo)的方案，蓋梁混凝土強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)為C30。

3.1 設(shè)計(jì)尺寸

根據(jù)支反力的理論計(jì)算值，在該橋主梁每個(gè)支點(diǎn)處的蓋梁相應(yīng)位置安裝4片鋼牛腿，安裝布置與圖1相同。剪力銷(xiāo)各構(gòu)件尺寸的設(shè)計(jì)如圖4。

對(duì)剪力銷(xiāo)各構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)，首先應(yīng)確定單個(gè)鋼牛腿所分配的豎向荷載大小。為確保橋梁頂升的安全，取最不利情況下的荷載，即各支點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值理論支反力（恒載+活載）772 kN。據(jù)此可參照該文第2節(jié)的力學(xué)計(jì)算式對(duì)銷(xiāo)體和錨固螺栓進(jìn)行驗(yàn)算，可知剪力銷(xiāo)各構(gòu)件的尺寸符合相應(yīng)荷載作用下的強(qiáng)度要求。

3.2 施工安裝流程

剪力銷(xiāo)臨時(shí)支架由剪力銷(xiāo)牛腿（剪力銷(xiāo)、鋼牛腿、固定拉桿等）、墊梁、承重鋼梁組成。牛腿通過(guò)剪力銷(xiāo)及拉桿固定在T梁正下方的蓋梁上。牛腿安裝前必須在蓋梁上放樣鉆制拉桿植筋孔和剪力銷(xiāo)圓錐孔。拉桿螺紋及緊固螺母由工廠配置，剪力銷(xiāo)委托工廠加工機(jī)床加工，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的尺寸精度、錐度及光潔度。施工安裝工藝流程如圖5所示。

剪力銷(xiāo)臨時(shí)支架施工安裝中關(guān)鍵步驟為剪力銷(xiāo)制孔。直接在蓋梁上制孔是有一定難度的，尤其是鉆出圓錐孔難度更大，而且精度難以保證。為滿(mǎn)足銷(xiāo)孔的尺寸精度和表面光潔度的施工要求，先采用大于剪力銷(xiāo)大頭直徑10 mm的空心鉆孔打出圓柱孔，深度略大于剪力銷(xiāo)模具的長(zhǎng)度。圓柱孔與剪力銷(xiāo)錐面孔之間的空隙采用環(huán)氧砂漿填充。在頂升用剪力銷(xiāo)臨時(shí)支架拆除后，及時(shí)做好善后工作，除清理工作外，對(duì)蓋梁上的銷(xiāo)孔需采用微膨脹混凝土填實(shí)封孔。

3.3 預(yù)壓試驗(yàn)

剪力銷(xiāo)在承受豎向荷載時(shí)，鋼牛腿會(huì)不可避免地出現(xiàn)豎向位移。若鋼牛腿豎向位移過(guò)大，會(huì)影響到千斤頂?shù)恼ｍ斏?，故而?yīng)將鋼牛腿的豎向位移控制在較小的范圍內(nèi)。為此，在梁體正式同步頂升前，應(yīng)對(duì)剪力銷(xiāo)進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)，以得到各個(gè)鋼牛腿豎向位移與剪力銷(xiāo)所承受豎向荷載大小的關(guān)系。預(yù)壓方法是通過(guò)對(duì)剪力銷(xiāo)相應(yīng)位置的T梁進(jìn)行單點(diǎn)頂升，T梁?jiǎn)吸c(diǎn)頂升高度控制在1.5 mm以?xún)?nèi)。剪力銷(xiāo)預(yù)壓試驗(yàn)如圖6所示：

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)壓試驗(yàn)，得到剪力銷(xiāo)各個(gè)鋼牛腿豎向位移與其所承受豎向荷載的關(guān)系數(shù)據(jù)見(jiàn)下表1，鋼牛腿豎向位移與剪力銷(xiāo)豎向荷載如圖7所示：

從現(xiàn)場(chǎng)剪力銷(xiāo)的預(yù)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)剪力銷(xiāo)豎向荷載達(dá)到主梁支點(diǎn)最不利工況下的支反力772 kN時(shí)，各個(gè)鋼牛腿的沉降位移在1.5 mm以?xún)?nèi)，不會(huì)對(duì)千斤頂?shù)恼ｍ斏a(chǎn)生影響。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)橋梁支座更換工程中梁底支座周邊空間受限，不足以布置千斤頂?shù)那闆r，引入了在蓋梁相應(yīng)位置安裝剪力銷(xiāo)作為頂升支撐平臺(tái)布置千斤頂?shù)姆椒?。根?jù)剪力銷(xiāo)的實(shí)際構(gòu)造和工作原理，提出了一套實(shí)用的剪力銷(xiāo)設(shè)計(jì)計(jì)算公式，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程中?？紤]鋼牛腿沉降位移對(duì)梁體頂升過(guò)程中千斤頂工作性能的影響，建議在正式頂升前對(duì)剪力銷(xiāo)進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步判斷剪力銷(xiāo)作為頂升支撐平臺(tái)施工的可靠性。從上述支座更換工程中剪力銷(xiāo)的實(shí)際使用情況來(lái)看，剪力銷(xiāo)作為梁體頂升支撐平臺(tái)，安全、可靠且經(jīng)濟(jì)，具有一定的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]喬乃洪，陳向輝.公路橋梁板式橡膠支座的病害及維修方法[J].交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2006（1）：104-109.

[2]李曉翔，張勇.公路橋梁板式橡膠支座典型病害及原因分析[J].鐵道建筑，2013（6）：27-30.

[3]孫晨晴.橋梁支座更換方法研究[J].黑龍江交通科技，2005（10）：73-74.

[4]韓振勇.同步頂升技術(shù)在舊橋改造工程中的應(yīng)用[J]. 城市道橋與防洪，2006（5）：164-167.

[5]孫訓(xùn)芳，方孝淑，關(guān)來(lái)泰.材料力學(xué)Ⅰ（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2008.