在役簡支T梁結構連續化改造中的支座選型研究*

代 力 劉 強 江祥林

(1.江西省交通科學研究院 南昌 330200； 2.長大橋梁建設技術及裝備交通運輸行業研發中心 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

某橋上部結構為標準跨徑40 m的預應力混凝土簡支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，導致結構的局部損傷；③大量伸縮裝置給橋梁日常維修管養帶來負擔[1-4]。因此，擬采用結構簡支轉連續方案對該橋進行技術改造。

橋梁支座的主要作用是將橋跨結構上的恒載與活載反力傳遞到橋墩的墩臺上，同時保證橋跨結構所要求的位移與轉動，以便使結構的實際受力情況與理論計算相符合。不同形式支座對結構受力有較大影響，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行研究。

2 單、雙支座橋梁結構受力分析

簡支轉連續梁橋按支座數量可分為單支座和雙支座2種結構型式，本文針對這2種結構型式分別設計了不同的改造方案，單支座和雙支座的改造設計圖分別見圖1、圖2。

圖1 單支座橋梁結構連續

圖2 雙支座橋梁結構連續(單位:mm)

2.1 單、雙支座內力分析

原橋采用鋼支座，現在較少使用，改造后仍采用鋼支座已不再合適，為了研究單、雙支座對主梁內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建立了四跨一聯的簡支轉連續梁橋計算模型，建模時考慮施工過程體系轉換，并在結構連續后一次性施加二期恒載為11.15 kN/m。并進行了4種工況的結構受力分析，計算結果見表1。

表1 不同工況及支承方式下主梁內力值 kN·m

由表1可見，在恒載、汽車荷載(公路-I級)、人群荷載及正梯度溫度共同作用下，最大正彎矩發生在邊跨跨中附近，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；最大負彎矩均出現在1，3號墩(根據加固圖紙按前進方向對橋墩依次編號，由北向南依次為0，1，2，3，4號)，單支座的墩頂負彎矩均小于雙支座的墩頂負彎矩。

根據各項荷載產生的內力值，其承載能力極限狀態下的內力組合值見表2。

表2 單、雙支座承載能力極限狀態邊梁內力組合值

從表2可見，雙支座橋梁結構內力較單支座略小，特別是對墩頂負彎矩減幅比較明顯，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 承載能力極限狀態下邊梁反力組合值

在不考慮反力橫向分布系數沿橋跨縱向變化的情況下對單、雙支座邊梁的最大和最小支反力進行比較，計算結果見表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下邊梁支反力 kN

表4 雙支座承載能力極限狀態下邊梁支反力 kN

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

2.3 單、雙支座連續結構形式比選

綜合上述結構受力分析結果，同時考慮施工和運營等其他因素的影響，各結構形式的特點見表5。

表5 簡支結構、單支座和雙支座連續結構3種結構型式對比

由表5可見，從結構受力角度來說，橋梁結構形式從簡支變連續后跨中最大彎矩會有一定程度的減小，雙支座結構減小的程度較單支座大；從施工工藝比較，單、雙支座結構在墩頂負彎矩處構造復雜，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結構更為合適。

3 雙支座橋梁結構連續的支座選型

3.1 板式橡膠支座選型

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

支座對結構受力的影響，反映在計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，通過查閱GJZ板式橡膠支座的規格型號，并對他們的參數進行比較，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論，豎向剛度為5×105～2×106N/mm。為了研究支座剛度對橋梁結構內力的影響，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應型號的四氟滑板支座進行橋梁結構受力計算。

3.2 不同形式支座活載作用產生的內力分析

對剛性支座、GJZ 400×400×99和GJZ 450×500×99 3種支座橋梁結構內力進行對比分析。

3.2.1對汽車荷載沖擊系數的影響

汽車荷載沖擊系數與結構基頻有關，3種不同支座對橋梁動力性能參數的影響見表6。

表6 不同支座下的動力性能參數

由表6可知，支座的豎向剛度對橋梁結構的基頻有一定影響，支座豎向剛度越大，結構基頻越大，對應的沖擊系數也越大。由此可見，相對于剛性支座，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，結構沖擊系數變化不大。

3.2.2對公路-I級汽車荷載的影響

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

表7 公路-I級汽車荷載作用下的、不同沖擊系數的結構內力 kN·m

由表7可見，綜合考慮汽車荷載沖擊系數后，由于板式橡膠支座的豎向剛度有一定范圍，在這個范圍內采用不同型號的板式橡膠支座對結構彎矩影響較小，而相對于剛性支座，橡膠支座可以明顯減小墩頂負彎矩。

3.3 不同型號橡膠支座支反力

依據公路橋梁荷載橫向分布計算得到支反力荷載橫向分布系數，再根據支反力的縱向影響線，將空間結構體系轉化為平面結構，從而計算得到支座反力。

3.3.1荷載橫向分布系數

近似計算時通常認為橡膠支座對橋端荷載橫向分布系數m0的影響較大，而m0對于計算梁端及其附近截面車輛荷載產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見表8。

表8 不同支座的梁端荷載橫向分布系數

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沿縱橋向變化的各墩邊梁(1號梁)支反力影響線對比圖分別見圖3～圖6。

圖3 0號墩支座支反力影響線

圖4 1號墩左支座支反力影響線

圖6 2號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可以得到以下結論：

1) 采用GJZ 400×400×99和GJZ 450×500×99 2種不同類型支座對成橋狀態恒載、梯度溫度和人群荷載產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，表明不會出現支座脫空；

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

4) 最小支反力組合值均出現在1號墩邊梁右支座，分別為621.3 kN和298.4 kN。

3.4 板式橡膠支座最終選型

根據上述支座支反力值，結合我國JTG 3362-2018 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》對支座進行驗算。

一般情況下，板式橡膠支座承載能力的安全系數為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的抗滑最小承壓力為373 kN，支座與鋼接觸時的抗滑最小承壓力為560 kN，計算得到的最大支反力組合值為1 700.9 kN，超過該型號的最大承載力1 521 kN的11.8%，在可接受的范圍之內，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的抗滑最小承壓力為525 kN，支座與鋼接觸時的抗滑最小承壓力為788 kN，計算得到的最大支反力組合為2 019.8 kN，小于該型號的最大承載力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 結論

1) 主梁結構簡支變連續后，跨中最大彎矩有一定程度的減小，雙支座結構減小的程度較單支座大；考慮施工工藝，單、雙支座結構在墩頂負彎矩處構造復雜，但雙支座相比單支座施工較為方便。因此，雙支座連續結構更為合適。

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

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

4) GJZ 450×500×99型最小支反力組合小于其對應抗滑最小承壓力，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的抗滑最小承壓力為373 kN，支座與鋼接觸時的抗滑最小承壓力為560 kN，計算得到的最大支反力組合為1 700.9 kN，超過該型號的最大承載力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，一般情況下，板式橡膠支座承載能力的安全系數為3.0，選擇GJZ 400×400×99型板式橡膠支座相對合理。