預應力混凝土梁式橋支座病害與防治

宋連亮

（北京市高速公路建設管理有限責任公司，北京市100070）

0 引 言

支座是聯結橋梁上下部結構的重要構件，是橋梁承重、抗震、抗沖擊水平荷載、輔助梁體工作的重要部件。其質量和性能直接影響橋梁的使用壽命。目前，支座病害已成為橋梁過早進入維修周期的病害之一。了解掌握支座性能和病害特點，對于實現橋梁設計壽命，已成為建設與管理者認真面對的問題。

1 支座處梁的位移變形特征

支座處梁的位移應考慮以下五個因素[1]：因溫度變化、汽車制動力等引起的位移：因梁撓曲引起的位移：因施加預應力引起的主梁位移：因混凝土收縮徐變引起的位移：因地震等偶然作用引起的位移。這五大因素是保持支座正常工作的前提，任一因素的缺失均影響支座的正常工作。

梁式橋主梁支座處產生的縱向水平位移的容許值△l[1]，在不考慮橫向橫坡分力產生的剪切變形情況下，△l（順橋向最大容許值）與橡膠片容許剪切角的正切[tgγ]、板厚te（或Σt）的關系是：

△l≦[tgγ]te（見圖1）

圖1 △l=[tgγ]te之圖示

不計活載制動力時，γ=30°[tgγ]取0.5

計活載制動力時，γ=35°[tgγ]取0.7

梁式橋板式橡膠支座豎向平均壓縮變形δc，m[1]與矩形支座短邊長度或圓形支座直徑la、支座頂面傾角θ和板厚te之間的關系是：

由此可以推斷出支座頂面容許傾角θ的容許值

以上為規范和行業標準規定，可以理解為超出上述容許值即為支座處于病害狀態。

從北京六環路、京通京哈高速橋梁維修工程的實際情況看，長期處于病害狀態的支座，是導致橋梁維修的重要因素。

綜上所述，橋梁支座病害主要為剪切撕裂和轉角超容許值引起，理論和工程實際印證都證明了，支座的正常工作是橋梁產品實現百年大計的重要參數。

2 預應力混凝土梁式橋支座病害類別、主要特征及影響

預應力混凝土梁式橋按施工方法分為預制梁橋和現澆梁橋[2]。按照工程實際發生狀況，其支座病害主要分為五類：劣品、脫空、移位、剪裂、失效。

劣品是指質量不合格的支座產品，此種病害是橋梁尚未使用就已經處于一種病態，危及橋體安全（見圖2）。

圖2 劣質產品之圖示

脫空是指支座受力面部分脫離梁底支撐面或支座受立面嚴重偏壓的一種病害（見圖3）。脫空又分為左右脫空、前后脫空和不規則脫空三種。其病害機理屬轉角超容許轉角病害。該病害主要產生預制梁板結構，現澆梁板發生的較少。此種病害的直接后果就是支座過早破壞，不及時處治將造成梁體工作異常，直至危機梁體安全。

圖3 支座脫空之圖示

移位是指支座偏離其工作位置，即偏離了梁支撐點位或蓋梁（橋臺）設計支撐位的一種病害（見圖4）。其病害機理屬轉角超容許轉角病害。此種病害危及梁體受力和橋梁正常工作，如位移支座為個別位置，非群體位移，橋梁直接損毀現象不突出，短期內橋梁工作狀態影響較小，但對梁體實質性傷害是嚴重且持續的。

圖4 支座移位之圖示

剪裂是指支座剪切變形超出支座變形能力的一種病害（見圖5）。其病害機理屬支座剪切變形引起的水平位移超容許值病害。此種病害將導致支座工作狀態失效，內部結構破壞，支座過早損毀。這種病害是支座病害最嚴重的一種。

圖5 支座剪裂之圖示

失效是指支座變形與工作狀態異常的一種病害（見圖6、圖7）。其病害機理屬轉角超容許轉角及剪切變形引起的水平位移超容許值的綜合病害。其表現形式是支座局部集中剪切受力如圖6所示，支座約一半高度嵌入支座墊石，從而使支座難以工作（有的支座甚至三分之二不工作，如圖7、圖8所示）。此病還危及橋梁正常工作，造成橋梁與支座雙重損害。同時，有些失效類型對后期換支座維修帶來巨大困難（見圖8、圖9）。

圖6 支座失效之圖示

圖7 支座失效之圖示

圖8 支座失效之圖示

圖9 支座更換艱難之圖示

3 支座病害成因

3.1 劣品

劣品可在任何橋梁出現，出現的原因：（1）建設各方把關不嚴；威懾力度不足，讓不具備生產合格產品的小廠家進入工地。隨著國家保護中小企業政策的實施，和反腐倡廉的逐步升級，建設各方為避免違反國家政策，保護本單位、涉事人員廉政安全和規避單位風險，原有的準入制等控制產品的有效制度不再執行。同時新的市場監管覆蓋面不足，體系管理不健全，不能及時發現和嚴厲處治不良企業，造成不良企業違法成本過低。（2）低價中標，劣品驅良品；施工企業為實現自身的企業利益，在未做調研（或深入調研）生產廠家狀況下，讓一些有資質無能力的企業進入了招標范圍。普通橡膠支座產品本身利潤已經很低，這些不具備生產專項能力的小企業為進入建設市場，用價格優勢擠入了工地。（3）進場檢驗不規范，劣品蒙混過關。按照現有的公路工程檢驗評定標準[3]，支座產品僅要求有生產合格證，以及按設計和相關技術規范進行試驗檢測且合格兩項要求。現對第二項要求仔細探究，可以發現其對產品的質量要求更宏觀，而沒有涉及支座產品本質（對產品質量產生實質影響的指標），設計要求基本就是力學指標（遠低于支座性能）、外觀尺寸，另外提出滿足規范要求。再看《公路橋梁板式橡膠支座支座》[4]標準中，橡膠材料涉及的主要是生產環節的實驗檢測，對于出場復驗未涉及。因此目前工程復驗僅對支座的外觀和力學性能檢測，而這些指標均容易達到，而達到這些目標遠遠不能代表支座質量合格。同時，由于試驗檢測單位的市場化，給本已復雜的質量監管工作帶來了更加復雜的環境影響。劣質產品進入建設市場更加便利。圖2就是某高速公路某現澆橋梁剛完成梁體澆筑，支座就破壞的案例。

3.2 脫空

脫空在裝配式預應力梁橋出現的比例較大，其中，彎坡斜的預制梁橋概率較大，現澆梁較少。產生的主要原因有三種：一是支座安裝誤差造成。由于預制梁梁底支撐點位置支座鋼板的預埋是按普通梁實施的（也無法在梁上考慮彎坡斜問題），需要用支座墊石在安裝支座時調節。而支座畢竟尺寸小，特別對于彎坡斜橋梁能精準實現復合坡度角度存在一定的難度，產生誤差是必然的，但這種誤差是可以接受的。二是人為差錯。第一種人為差錯是預估不足或忽略了此問題；第二種差錯是未跟蹤安裝后的支座工作狀態；第三種是安裝差錯。（1）未實現設計意圖，支座墊石低于設計，無法實現支座嵌入墊石，支座與墊石的粘結不牢固（見圖10）；（2）支座安裝復合坡度差錯（見圖11）；（3）梁底支撐位鋼板偏差大（見圖12）；（4）梁體就位時橫向或偏轉移位時對支座的推移未發現、未調整，產生的差錯（見圖13、圖14）；（5）現澆梁支撐位鋼板固定不牢，混凝土澆筑過程導致鋼板偏位；或鋼板固定偏差大（見圖15）；（6）裝配式預應力混凝土梁（T梁、小箱梁等）存放時間過長，且無壓梁措施，梁體出現反弓等情況（見圖16、圖17）。

圖10 未按設計設置墊石無粘結之圖示

圖11 復合坡度角度不匹配之圖示

圖12 梁底支撐位鋼板偏差大之圖示

圖13 支座墊石質量不達標之圖示

圖14 支座移位之圖示

圖15 梁底鋼板偏位之圖示

圖16 梁體反弓之圖示

圖17 施加預應力后支座變形的情況之圖示

3.3 移位

移位在裝配式梁橋吊裝過程中和現澆式梁橋底模拆除前、預應力張拉過程，兩種情況下發生的幾率較大。裝配式吊裝過程（尤其是吊車安裝）最易發生。在吊車安裝情況下，梁體就位、落梁前總會有安裝誤差，這是由于吊車微調能力較差。準確就位與落梁，既取決指揮者與司機間的默契配合，更主要取決于司機的技術能力，對于雙車抬梁情況下還取決于司機相互間的配合能力。因此，梁體就位過程中調整難免觸碰支座（特別是支座未與下墊石粘牢），圖4就是典型的T梁安裝過程支座偏離移位的例子，這個實例還是安裝后無人檢查支座情況，給工程留下隱患教材。圖14是一個預應力現澆箱梁支座“移位”的實例，這個實例的不利結果是支座小部分支撐面懸空，加大了支座的受力負擔，但由于安全儲備夠，不用調整。這個實例得到的啟示是：（1）箱梁底支座鋼板預埋位置要考慮張拉變形對支點位置的影響；（2）箱梁底支座鋼板順橋向需適當加長；（3）張拉后落梁可以實現對支座無損正常狀態。

3.4 剪裂

剪裂是危及梁式橋制作安全的最大殺手。預應力梁式橋按施工方式可分為裝配式和現澆式。現澆梁橋作為可以解決特殊橋跨段落的非標結構，是橋梁工程重要的組成部分。對于裝配式預制梁相配套的支座，只要不在非惡劣環境（高熱、極寒）條件下安裝，且安裝滿足設計要求的條件下，其施工過程產生的變形與設計基本相符，產生病害的幾率較小。對于現澆梁，受施工工藝和施工季節的影響，其施工產生的變形與設計存在著一定的差異，尤其對于跨徑較大的箱梁橋差異更大。

板式橡膠支座標準工作溫度：橋梁板式橡膠支座標準規定[4]，板式橡膠支座標準工作溫度為23±5℃。

板式橡膠支座容許剪切變形：橋梁板式橡膠支座標準規定[5]，橡膠支座剪切角不能大于35°，也就是說5 cm板厚的水平位移不能大于3.5 cm。根據工程調查，剪切角超35°支座破壞的居多。因此35°這項指標可以作為評判支座剪切變形的安全標準。

板式橡膠支座剪切變形△，主要由梁體溫度應變△t、汽車制動力等引起的位移△q：因施加預應力引起的主梁位移△F：因地震等偶然作用引起的位移△d。

在不考慮△q、△d（該兩位移可恢復）情況下，板式橡膠支座剪切變形△的變化情況：

式中：△T=（t0-t1）；α取0.86×10-5；l取1/2梁長為簡支梁雙向受壓時，取全梁長為剛構連續梁時。

△F，由應力壓縮混凝土變形（數值較小）與預應力梁體撓曲變形產生的。該種變形在設計階段考慮較少，與現場實際出入較大。以25～35 m跨徑預應力現澆箱梁為例，其實際總變形為3±0.5 cm左右，如京津塘第二高速、京密高速、興延高速等等高速現澆箱梁橋（段），在完成預應力張拉后均出現了3±0.5 cm左右的剪切變形。

施加預應力引起的主梁位移△F，是導致支座剪切破壞最大的殺手。其原因有：（1）施加預應力引起的主梁位移△F，消耗了支座正常的工作位移量（個別的甚至達到了容許變形），圖17為施加預應力后支座變形的情況；（2）由于現澆梁橋的澆筑季節，多為晚春、夏、秋季節，氣溫20～35℃，冬季收縮變形量較大，室外氣溫在-15℃條件下，25 m梁△t應在1±0.5 cm左右，30 m梁△t應在1±0.6 cm左右。此變形屬支座正常工作狀態下的變形梁；（3）△f與△t疊加后，支座剪切變形加劇，使得支座未進入運營期就處于破壞的臨界（甚或破壞）狀態。

3.5 失效

失效顧名思義就是支座失去作用，多發生在墩、臺、支座墊石施工標高超出誤差，導致支座局部或大部被埋，導致支座集中受力變形，造成其過早損毀。如圖6、圖7所示。

4 病害防治措施

針對支座病害的成因，結合工程建設管理的實際情況，建議采取措施如下；

4.1 加強產品出場后質量管理，堵住劣品進入通道

（1）建立政府監督部門質量不合格產品信息通道，加大對生產不合格產品廠家的懲戒力度，增加廠家違法成本。

隨著產品生產許可制度的改變，政府對企業的管理轉變為事后懲戒管理。新的管理模式處于摸索階段，目前尚無有效的監管懲戒機制。企業眾多，信息不暢，難監難管局面尚未破解，不出現重大轟動事件（這種產品也不會引起重大事故），行業監督部門很難知曉。不合格產品入工程更加便利。

面對這種形勢，采用北京市住建委系統實驗室管理模式：實驗室專業化管理、實驗數據共享、不合格產品報警，實現信息共享，使政府監管部門有據可依、精準監管。對于證據確鑿情節嚴重廠家加大懲戒力度，提高違法成本，起到震懾作用。確保產品質量處于健康狀態。

（2）修訂增補產品行業標準，增加復檢相關指標。

橡膠支座的實驗檢測，材料檢測主要是生產環節的實驗檢測，出場復檢未規定進行檢測，規范中也無成品橡膠材料檢測標準，而橡膠材料是支座耐久性、抗剪切能力的重要材料，同時也是影響支座成本的重要材料。目前工程復驗檢測標準達到判斷支座質量合格需求。

由于支座抗壓與抗剪能力對橡膠材料延展性需求相反，抗剪能力強必然損失抗壓能力（壓縮變形大），抗壓能力強（壓縮變形小）必然損失抗剪能力。為解決產品抗壓與抗剪協調統一問題，橡膠支座標準建議修訂：一、增加支座豎向變形和側向隆起標準值和允許偏差值，達到保證支座豎向承載和橫向剪切雙滿足的需求。二、增加支座產品進場檢驗內容和檢定標準，a.橡膠材料；b.產品變形能力；c.低溫變形能力（特別北方寒冷和嚴寒地區）。

（3）建設單位建立規范靈活的抽檢檢測機制，實現對產品的質量控制。

面對新的高速公路建設管理模式和復雜的建設環境，只有建設單位的質量意識提高，工程質量才能得到更好的保障。建立產品抽檢制度，實現對重要材料、構配件的質量監管，是保證工程質量可控的關鍵。

采取建設單位質量管理部門適時獨立抽檢，與監理、施工方聯合抽檢（減少廠家成本）等多形式靈活管理方式；杜絕產品檢測費用由廠家負擔的非正常管理（這種方法會加劇產品不合格而報告合格現象出現），采取抽檢產品合格檢測費用由抽檢方負擔（或在施工方試驗檢測費用列支），產品不合格廠家負擔等靈活的費用承擔模式。用多種靈活的手段實現對產品的質量控制。

（4）施工單位加強合同及過程管理。

為保證產品質量管理過程中，實現順暢處置不合格產品，要在招標文件及合同文件中對產品質量管理的方式方法予以明確，公正公平開展管理，減少爭議，威懾投機廠家。

4.2 加強橋梁施工質量控制，規范、精細施工

（1）加強墩、臺及支座墊石的精細化施工管理。

嚴格控制墩、臺及支座頂面高程，確保施工誤差在容許范圍。細化墩、臺支座混凝土澆筑方案。要掌握混凝土的泌水性能，盡量采用泌水少、塌落度略小的混凝土（特別是頂部）。支座墊石須與墩臺混凝土同時澆筑，盡量避免支座墊石混凝土二次澆筑。

如支座墊石必須二次澆筑，墩臺墊石位置需預留一定空間，在墊石澆筑前需對接觸面進行處理，建議對混凝土提高一級標號，同時務必做好后期保水養生，保證與墩臺形成一體，強度達到設計標準。

認真做好支座與支座墊石的粘接作業，精細做好位置、高程、坡度等細部作業。確保準確、粘牢。

施工單位、監理單位必須對支座墩、臺、墊石進行專項驗收，在必要情況下，列為隱檢工程的一部分進行管理。

（2）強化吊車安裝過程的精細化和支座復驗管理。

對吊車安裝的橋梁，吊車司機及指揮人員要選用長期配合的團隊。在作業時，要準確對位后適時落梁，盡量不擾動支座。同時，質量管理人員必須在單梁就位后及全橋梁體就位后兩個階段，對支座情況進行檢查驗收。

（3）提高預制梁梁底鋼板的安裝質量。

預制梁支座位置梁底鋼板是影響支座工作性能的又一個影響因素。墩臺位置支座安裝得是否準確，梁底鋼板位置偏差是否大（橫縱水平向），對支座的工作性能都會受影響，是造成支座脫空病害的主要原因之一。

預制梁嚴禁非工廠化預制。預制梁支座鋼板必須符合設計的材質，且平整無缺陷。在混凝土澆筑前，必須固定且與底模保持在同一水平面，避免安裝誤差。在混凝土澆筑時，避免對鋼板的擾動。

4.3 采用新技術新工藝，杜絕施工過程導致支座出現病害

（1）采用新技術，克服施加預應力產生位移對支座的影響。

根據支座病害的實際情況，開展新技術研究，利用調節可轉換型支座解決支座剪切變形問題等技術開發，杜絕施工過程引起的支座病害。

（2）采用新工藝，克服施加預應力產生位移對支座的影響。

為克服施加預應力產生位移對支座的影響，在現澆箱梁底模板的施工工藝上進行技術革新，如采取可移動支撐模板，待預應力張拉完成后二次落梁等形式，解決支座剪切變形的病害。

4.4 引進使用單位支座專項交工驗收，威懾不規范行為

相對建設期而言，運營期周期更長，管養單位需要與橋梁長期密切關聯，它對橋梁耐久性、使用壽命更關心，因此引進使用單位作為交工驗收一方，更有利約束橋梁施工方因不規范產生的病害的幾率，起到威懾作用。支座作為通病列入交工驗收的一項內容，將對推動支座病害的形成起到抑制作用。

5 兩種控制支座剪切變形技術

解決施加預應力導致的支座剪切變形的病害，目前可行的有兩種方式：一是新技術方案解決，即采用可調節轉換型支座；二是新工藝方案解決即現澆箱梁預應力張拉前梁底支座鋼板與支座留間隙，采用臨時可位移砂箱支撐，二次落梁方式。下面對兩種方式進行簡述。

5.1 可調節轉換型支座技術

可調節轉換型支座（專利授權公告號CN 205399193 U）[6]，是針對梁體施加預應力產生位移這一實際情況研發的專用支座。該支座的原理是在預應力張拉前，支座為“滑板”型支座，張拉完成梁體位移釋放后，固定（機械或固定）后，支座轉化為普通板式橡膠支座。該型支座由上（或下）鋼板和中間滑動體組成，在上（或下）鋼板體設置禁錮螺栓。該支座的主要特點是：構造簡單，易操作，便施工；價格比普通板式支座略高，但免去了因支座變形引起的二次頂升費用，綜合成本小。此技術已在為興延高速六環立交東向西匝道成功應用，見圖18所示。

圖18 可調節轉換支座之圖示

5.2 臨時可位移砂箱支撐，二次落梁工藝

根據施加預應力梁體產生變形的實際情況，采取臨時支座工藝克服其對支座的損害，其工藝要點如下：

（1）加長梁底縱向鋼板。

施加預應力產生的變形，根據目前掌握的變形規律，對于大多數20～35 m現澆箱梁其變形量為1.5～3.5 cm（雙端自由變形減半），為此將支座位置梁底鋼板向內側加長2～4 cm（根據梁長確定）。

（2）人為制造梁底鋼板與支座間的活動間隙。

在梁底鋼板與支座間添加臨時均質平整薄泡沫板，保證混凝土澆筑時梁底鋼板穩定，保證預應力施加前梁與支座自由活動。

（3）梁底墩臺位置模板增加可移動砂箱支撐。

在墩、臺頂面與梁底模板間設置可向內側位移的臨時砂箱。砂箱須具有張拉前保持穩定的特性。在張拉時，方便可解除限位和向內位移的功能。砂箱位移量控制在2～4 cm。

6 結語

橋梁工程是公路建設百年大計中重之又重的工程，關乎公路暢通，關乎后期的養護成本，關乎整條道路的使用壽命，關乎使用者的使用成本乃至生命。支座作為橋梁結構的核心構件，雖然成本不高，但其質量和工作狀態關乎橋梁的整體安全。作為橋梁建設相關技術人員，對此要高度重視，避免不必要減少其使用壽命的行為，使橋梁全壽命周期安全低耗是我們每一位建設者的責任與義務。