橋梁橡膠支座失效后靜動態性能研究

聶超武

(湖南省益陽公路橋梁建設有限責任公司, 湖南 益陽 413000)

0 引言

支座是橋梁結構中的受力構件組成之一，是將上部結構受力荷載傳遞到下部結構起轉換作用的橋梁重要結構構件，上部結構承受的恒載和活載通過支座傳遞給橋墩或橋臺，使橋梁結構在汽車荷載、溫度變化收縮徐變、自身及其他荷載等作用下能自由變形[1]。支座不但受汽車荷載反復作用，同時暴露在大自然中，受溫度、紫外線、臭氧等各類化學物質不斷侵蝕。隨著社會經濟的迅速發展，交通量急劇增加，再加上不當施工以及支座本身存在先天性質量缺陷等原因，使支座過早出現大量病害而遠未能達到設計使用壽命。

近年來，交通部門對于橋梁養護逐漸重視起來，然而在役橋梁基數較大，各種原因而造成的危橋廣泛存在，因此，越來越多的學者對橡膠支座性能展開研究。李悅等[2]通過對板式橡膠支座進行疲勞荷載試驗，研究橡膠支座的極限剪切性能。張恩超等[3]通過超低周疲勞荷載研究在水平力作用下橡膠支座的水平剛度性能。蘇南[4]結合工程實際，分析了橋梁橡膠支座常見病害原因。彭坤等[5]為研究板式橡膠支座的滑動性能，對其進行壓剪試驗，發現在水平加載過程中支座發生脫空、滑動及卡壓等現象。Kelly等[6]分析了橡膠內部形成微小縫隙對支座抗拉剛度的影響，結果表明，橡膠支座的初始抗拉剛度與抗壓剛度接近,但在較小應變時即達到屈服荷載，其后剛度迅速減小。Kasalanti等[7]通過對支座施加預應力來減小或抵消支座可能承受的拉力，從而提高支座的耐久性。陳鵬等[8]在保證支座水平性能正常的前提下，提出一種滑動連接構造，提高了支座整體豎向抗拉能力。

綜上，現有研究主要集中于支座極限承載力和疲勞性能的研究，并且主要是針對局部構件，實際工程中結構一般處于線彈性工作狀態，該狀態下支座帶病害工作時橋梁整體的力學性能并不明確。因此對支座帶病工作時對橋梁結構靜動態力學性能進行研究，具有一定的實際工程意義。

1 工程概況

某預應力混凝土連續T梁橋地處福建省龍巖市上杭縣省道S308線上，該橋為7×30 m預應力混凝土簡支T梁橋，橋長223.04 m，橋梁位于半徑為254.76 m的圓曲線上，每跨共5片梁，7道橫隔梁，梁高2 m；主梁采用C50混凝土；預應力索為3-7φ5，錨具采用OVM15-3型，波紋管尺寸φ50 mm。設計汽車荷載標準為汽超-20，掛-120級；橋面全寬11.5 m，橋面凈寬10.5m；橋面縱坡為-2.869%，全橋共70個板式橡膠支座。

2 支座檢查

對橋梁板式橡膠支座進行現場全面檢測，主要包括以下內容[9]：①支座是否有滑移及局部脫空現象；②剪切變形是否過大；③支座壓縮變形是否過大；④支座是否開裂；⑤支座加勁鋼板層間的橡膠是否外涂均勻，各層間是否存在過大的向外凸出或側面整體向外凸出；⑥支座支承墊石頂面是否有開裂、積水的情況。

3 全橋支座現狀及成因分析

通過對全橋橡膠支座進行全面檢查，發現80%板式橡膠支座嚴重老化開裂，裂縫嚴重，部分支座被壓潰，即將失去正常使用功能，如圖1所示，支座病害及數量統計如表1所示。

圖1 典型支座病害圖

表1 支座損壞類型統計位置損壞類型數量/處支座發生橫向剪切變形27第1～7跨支座老化開裂,破損48支座鼓脹開裂16

支座病害產生原因可能是由于該橋位于省道上，交通量及大車混入率均較大，且橋梁2.869%的縱坡導致橋梁所承受的汽車荷載水平沖擊力較大，支座發生剪切變形，并且支座長期與限位裝置的相互作用使得支座發生了鼓脹開裂及損壞。

4 靜載試驗研究

為了解板式橡膠支座即將失效時，橋梁在靜態荷載作用下的承載能力狀況及受力性能，對其進行了靜載試驗研究。

根據設計文件，本次靜載試驗荷載等級為汽超-20，掛-120級；基于有限元分析軟件Midas Civil進行理論計算分析，有限元分析模型如圖2所示，選取第1跨和第2跨為荷載試驗跨，采用4輛40 t后8輪加載車可使試驗效率系數控制在0.95～1.05之間，分4級加載，測試截面及測點布置如圖3～圖5所示：

圖2 全橋有限元模型示意圖

圖3 測試截面布置示意圖(單位： m)

圖4 撓度測點布置示意圖

圖5 應變測點布置示意圖(單位： m)

受篇幅限制，本文只列出第1跨的第2級與第4級試驗結果,如表2、表3所示。

表2中：第1跨在第4級試驗荷載加載下，各試驗點最大撓度校驗系數值為0.68，最大相對殘余變位值為0.05。表3中：最大實際應變校驗系數為0.71，最大相對殘余應變值為0.11，以上數值均符合試驗規程[10]中相關容許值的規定。試驗結果說明該橋仍滿足設計汽車荷載等級汽超-20,掛-120級標準的要求，同時也說明支座破損嚴重的情況下，橋梁剛度及強度仍有一定的安全儲備，對橋梁的剛度及強度影響不大。

表2 第1跨撓度測試結果測點 彈性變位殘余變位第2級第4級卸載實測值/mm 理論值/mm 實測值/mm 理論值/mm 校驗系數實測值/mm 相對變位/mm 1-1截面10.090.000.230.00—0.01—30.130.000.310.00—0.02—

續表2 第1跨撓度測試結果測點 彈性變位殘余變位第2級第4級卸載實測值/mm 理論值/mm 實測值/mm 理論值/mm 校驗系數實測值/mm 相對變位/mm 12.363.984.747.480.630.160.0323.215.596.1210.510.580.230.0402-2截面33.516.266.7611.780.570.330.0543.45.596.5110.510.620.310.0552.993.985.117.480.680.190.043-3截面10.140.000.220.00—0.00—30.170.000.260.00—0.01—注:在撓度測試時,1-1、3-3截面是墩臺處截面,不計算其校驗系數及相對變位。

表3 第1跨應變測試結果測點 彈性變位殘余變位第2級第4級卸載實測值/10-6理論值/10-6實測值/10-6理論值/10-6校驗系數實測值/10-6相對變位/10-614567831230.6740.05263951111730.64100.083691061231940.6380.062-2截面459951091730.63130.1154367791230.6480.096274255770.7150.087132025370.6820.07

5 動載試驗研究

在靜載試驗結果的基礎上，為了解板式橡膠支座帶病工作時橋梁動態響應，對其進行了動載試驗研究。

本次動載試驗在第1跨跨中截面邊梁布置測點，對橋梁結構不同車速行駛以及剎車作用下測點的動撓度時程曲線進行采集。汽車以不同的車速行駛在測試橋跨以及剎車和跳車時，第1跨跨中截面邊梁測點產生的動態撓度及動態撓度增量系數，如表4所示。

由表4可知，以不同的速度勻速行駛時，動態撓度增量系數最大值為0.471；以不同的速度剎車時，動態撓度增量系數最大值為0.190。由于該預應力混凝土連續T梁橋的固有頻率的理論值fc為3.91，根據規范[11]4.3.2節知，沖擊系數μ計

表4 跨中截面在各工況下的動撓度測試結果表工況速度/(km·h-1)動撓度/mm動態增量203.9590.132無障礙行車304.3620.471404.8250.357504.0190.372剎車203.3460.123304.0190.190

算公式：

μ=0.176 7ln(fc)-0.0157=0.225

(1)

因此設計值為0.225，實測30～50 km/h跑車時沖擊系數均大于設計計算值。說明橋梁支座帶病害工作時，對橋梁動態性能影響較大，實測沖擊系數最大達理論值的2.1倍，這是由于支座發生病害后，對橋梁的約束效果減弱，在超重汽車的反復動荷載作用下，橋梁動載響應值將顯著增大。故當支座即將失效或失效前應及時發現并進行更換，防止橋梁因過大的動響應產生主梁飄移或墩柱偏位。

6 結語

本文以某預應力混凝土T梁為工程背景，根據支座病害檢查結果，開展了橋梁靜動載試驗，探究了支座帶病害工作對橋梁靜動力力學性能的影響，可得到以下結論：

1) 支座帶病害工作時，橋梁靜力力學性能衰減不顯著，橋梁的跨中應變的校驗系數和殘余應變均在規范允許范圍內。

2) 支座帶病害工作時，橋梁動力響應顯著增大，實測車輛30～50 km/h速度時沖擊系數均大于設計計算值，最大達到了2.1倍。