某小半徑斜彎橋項(xiàng)目的板式橡膠支座病害機(jī)理及治理分析

摘要 小半徑斜彎橋作為一種特殊的橋梁結(jié)構(gòu)形式，其受力情況較為復(fù)雜，受溫度效應(yīng)影響較大，在車輛離心力作用下，容易產(chǎn)生支座變形、脫空現(xiàn)象，影響橋梁使用安全。為有效探究小半徑斜彎橋板式橡膠支座的病害產(chǎn)生機(jī)理，提高支座病害處治效果，文章依托某公路橋梁工程橡膠支座處治案例，根據(jù)橋梁支座病害檢測(cè)結(jié)果，初步推測(cè)病害形成原因，利用數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)一步分析了板式橡膠支座的病害產(chǎn)生機(jī)理，并提出了具體的處治方案，取得了顯著成效，相關(guān)研究成果可供同行參考借鑒。

關(guān)鍵詞 公路橋梁項(xiàng)目；板式橡膠支座；小半徑斜彎橋；處治方案

中圖分類號(hào) U443.361 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）13-0151-03

0 引言

公路橋梁工程建設(shè)時(shí)，受沿線地形及現(xiàn)有構(gòu)造設(shè)施影響，通過采用小半徑斜彎橋進(jìn)行過渡，以有效滿足實(shí)際工程需求。此類橋梁結(jié)構(gòu)在服役過程中，受汽車離心力作用，橋梁上部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生橫向位移，導(dǎo)致支座系統(tǒng)出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象，從而引發(fā)支座變形、脫空、失效等問題，威脅橋梁使用安全。為此，該文結(jié)合某橋梁工程案例，系統(tǒng)分析了小半徑斜彎橋板式橡膠支座的病害產(chǎn)生機(jī)理，并提出了具體的處治措施，對(duì)提高橋梁支座病害處治水平，保證橋梁使用安全，具有十分重要的意義。

1 工程概況

某公路橋梁工程采用小半徑斜彎橋設(shè)計(jì)，于2020年正式投入運(yùn)營(yíng)，限速40.0 km/h。上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)預(yù)應(yīng)力T梁結(jié)構(gòu)，橋跨組合為（2×25+5×25）m，斜向夾角60 °，總長(zhǎng)度為182.5 m。該橋位于R=150.0 m圓曲線上，橋面總寬度為9.2 m，車行道寬度為8.2 m，雙側(cè)防護(hù)欄桿寬度為0.5 m×2。橡膠支座縱、橫向布設(shè)形式見圖1所示。

通過現(xiàn)場(chǎng)專項(xiàng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，整橋超過4/5以上的支座存在變形、脫空、開裂等問題，其中脫空范圍高達(dá)10.0%，高度超過1.0 mm。整橋支座病害分布情況，見圖2所示。

2 病害成因分析

橋梁支座變形、脫空及開裂分別為1級(jí)、2級(jí)及3級(jí)病害；其中，對(duì)于1、2級(jí)病害支座實(shí)施修復(fù)處理并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)即可，而對(duì)于3級(jí)病害支座應(yīng)進(jìn)行更換處理[1]。根據(jù)該橋梁支座病害實(shí)際情況，初步推測(cè)其病害成因如下：

（1）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮極限荷載作用下支座外側(cè)外緣脫空的狀況，而忽略了結(jié)構(gòu)自身重力及混凝土徐變作用，從而造成支座內(nèi)側(cè)外緣產(chǎn)生脫空病害。

（2）板式橡膠支座內(nèi)部橡膠層較薄且厚度不均勻，實(shí)際使用過程中存在受力不均現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致支座局部變形、脫空[2]。

（3）支座安裝位置不準(zhǔn)確，其中軸線與上部蓋梁及下部橋墩中軸線不在同一垂線上，存在偏壓現(xiàn)象[3]。

（4）墊石頂部平整度及標(biāo)高不達(dá)標(biāo)，造成支座存在局部受力過大問題，從而使部分支座處于脫空狀態(tài)。

3 橋梁支座計(jì)算

3.1 支座計(jì)算工況

由于該彎橋處于R=150.0 m曲線上，在對(duì)支座受力分析時(shí)應(yīng)充分考慮離心力作用，支座變形條件下的橫向荷載分布見圖3所示。荷載計(jì)算時(shí)應(yīng)全面考慮重載交通、支座脫空、變形等情況。

根據(jù)現(xiàn)行《公路橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行離心力計(jì)算，具體情況如下：

（1）工況一：550×2×302/（127×150）≈51.97 kN

（2）工況二：800×2×602/（127×150）≈302.36 kN

（3）工況三：550×2×302/（127×150）≈51.97 kN

3.2 支座荷載計(jì)算

根據(jù)該橋梁原始設(shè)計(jì)方案，其橫橋向設(shè)置4片預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，鋪裝層為厚度10.0 cm瀝青混凝土+厚度8.0 cm C50混凝土，橫橋坡度為6.0%。

單跨T梁重量為108.3×26=2 813.8 kN

單跨二期恒載：0.82×25×23+0.656×25×25+7.5×25×2=1 256.6 kN

單跨交通荷載：（10.5×25+310）×2=1 145.0 kN

各支座豎向荷載：

[1.2×（2 813.2+1 256）+1.4×1 145]/4=1 621.4 kN

在支座脫空面積為10.0%、高度為1.0 mm的條件下，受到的橫向荷載作用：H=1621.5×0.08=129.6 kN。通過計(jì)算得到三種工況條件下每一支座的受力大小，見表1所示。

3.3 數(shù)值模擬

通過MIDAS FEA NX系統(tǒng)構(gòu)建板式橡膠支座模擬，單層加勁鋼板、橡膠層及中間層厚度依次為5.0 mm、2.5 mm、12.0 mm，鋼板、橡膠通過實(shí)體模型進(jìn)行模擬，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表2所示。采用接觸模型對(duì)車輪摩擦力作用下的支座受力情況實(shí)施模擬分析，D550×110支座底部及頂部的摩擦系數(shù)分別為0.3和0.2，板式支座網(wǎng)格模型見圖4所示。

根據(jù)支座實(shí)際受力情況，在加勁鋼板及橡膠部位分別施加豎、橫向均勻荷載；對(duì)于支座存在的10.0%脫空狀況，為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，通過調(diào)整豎向荷載位置對(duì)支座脫空狀態(tài)的受力狀況實(shí)施模擬分析[4-5]，具體受力形式見圖5所示。

按照現(xiàn)行《橋梁工程板式橡膠支座施工技術(shù)規(guī)程》相關(guān)要求，求出三種工況下支座受力及變形情況，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3所示：

通過分析表3可知：

（1）由工況一、二對(duì)比發(fā)現(xiàn)，汽車超載、超速條件下，橋梁支座產(chǎn)生的側(cè)向位移較大。

（2）由工況一、三對(duì)比發(fā)現(xiàn)，橋梁支座脫空條件下，其側(cè)向位移較大。

（3）由工況二、三對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相較于汽車超載、超速，支座脫空導(dǎo)致的側(cè)向位移較大。

4 橋梁支座缺陷處治方案

4.1 處治方案

通過模擬計(jì)算可知，橋梁支座系統(tǒng)產(chǎn)生的水平剪切變形、開裂、脫空等病害與汽車超載、超速離心力過大密切相關(guān)[6-7]。針對(duì)此類現(xiàn)象，提出在彎橋部位設(shè)置限速、限載標(biāo)識(shí)，以有效防止超速、超載現(xiàn)象，降低支座受到的荷載作用。同時(shí)，由于既有擋塊已產(chǎn)生裂縫，為防止T梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)側(cè)向滑移，應(yīng)在橋墩頂部合適部位設(shè)置橫向限位裝置。詳細(xì)處治方案如下：

（1）按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并結(jié)合橋梁實(shí)際情況，在合適部位設(shè)置醒目限速、限載設(shè)施，保證車輛運(yùn)行安全[8]。

（2）通過液壓式千斤頂抬升橋梁上部結(jié)構(gòu)，將各支座的墊石頂面調(diào)節(jié)至指定標(biāo)高，采用阻尼減震支座替換板式橡膠支座，并補(bǔ)齊缺失擋塊。

（3）在橋墩頂部支座側(cè)移及變形部位的蓋梁底部設(shè)置限位裝置，以有效控制支座側(cè)向移動(dòng)[9]，限位裝置布設(shè)示意圖見圖6所示。

4.2 加固效果

按照以上治理方案，通過設(shè)置鋼板有效修復(fù)支座脫空病害，確保支座受力均衡，避免出現(xiàn)支座偏載現(xiàn)象，防止支座開裂、變形。通過設(shè)置水平限位裝置，將汽車運(yùn)行過程中形成的離心作用轉(zhuǎn)移至墩臺(tái)基礎(chǔ)，顯著降低了支座水平荷載作用[10]。當(dāng)前，該橋梁工程改造處理后已運(yùn)營(yíng)一年，支座運(yùn)行狀況良好，未出現(xiàn)脫空、變形等問題，效果顯著。

5 結(jié)語

綜上所述，該文結(jié)合某小半徑斜彎橋支座病害處治實(shí)踐，通過數(shù)值模擬計(jì)算分析了板式橡膠支座的病害產(chǎn)生機(jī)理，提出了具體的處治措施，具體結(jié)論如下：

（1）汽車超載、超速及支座脫空均會(huì)導(dǎo)致支座側(cè)向位移，但相較于汽車超載、超速條件下，支座脫空導(dǎo)致的側(cè)向位移較大，因此橋梁運(yùn)營(yíng)過程中應(yīng)加強(qiáng)支座性能檢測(cè)，確保其始終處于優(yōu)良狀態(tài)。

（2）針對(duì)橋梁支座脫空病害，利用液壓式千斤頂抬升橋梁上部結(jié)構(gòu)，將各支座的墊石頂面調(diào)節(jié)至指定標(biāo)高，并采用阻尼減震支座替換板式橡膠支座，增設(shè)限位裝置，確保支座受力均衡，可避免出現(xiàn)支座偏載現(xiàn)象，防止支座側(cè)移脫空。

（3）支座剪切破壞與外部荷載、支座材質(zhì)、運(yùn)行環(huán)境等因素密切相關(guān)，維修治理時(shí)應(yīng)全面考慮。

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收稿日期：2024-02-04

作者簡(jiǎn)介：廖承松（1987—），男，大專，助理工程師，從事公路工程試驗(yàn)檢測(cè)工作。