坡度自適應球型支座在橋梁高墩糾偏中應用效果研究

杜海鑫

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

近幾年，遼寧省山區高速公路多座大縱坡T梁橋出現了橋墩墩頂縱向偏位、墩底開裂、支座滑移失效等病害。針對這類典型病害[1-5]，普遍認為是支座安裝不水平導致的，上部結構恒載、活載和溫度荷載等作用在不水平支座上，造成或加劇橋墩偏位。為此，要從根本上解決這一系列問題，需研究病害產生的機理，從而改善橋墩受力狀態，確保橋梁運營安全。

1 橋墩墩頂偏移病害產生的原因

1.1 理論分析

在初始情況下，T梁架設完成后，如果梁底支座鋼板不在水平狀態，則上部結構通過支座向蓋梁傳遞的支反力G可分解為一個垂直于滑面的法相力Gcosθ和平行于滑面的切向力Gsinθ，此時的切向力一般小于支座的滑動靜摩擦力，支座滑動面不滑動，不存在水平外力，詳見圖1初始狀態。

當整體升溫時，上部結構由于溫度上升產生體積膨脹，在簡支端伸縮縫處相鄰的兩個梁端出現相互靠近趨勢，當由于升溫在支座處水平力Hw與Gsinθ的合力小于滑動靜摩擦力μGcosθ時，兩個支座均不滑動，結構僅發生彈性變形。蓋梁中產生的水平抗力為Hd=(Hw2-Hw1)cosθ，隨著溫度升高，上坡端支座首先滑動，下坡端支座后滑動，此時

Hw2=μG2cosθ+G2sinθ

Hw1=μG1cosθ-G1sinθ

則Hd=[μ(G2-G1)cosθ+(G1+G2)sinθ]cosθ

一般情況下G1=G2，則Hd=2G1sinθcosθ，表明橋墩受到向上坡方向的水平推力。同理，整體降溫時，也可得出以上結論。

1.2 有限元分析

采用有限元程序設置滯后系統方式模擬滑動支座的力學特性，并通過非線性時程函數模擬上部結構整體升溫降溫循環。如圖2、圖3所示，計算結果較直觀地反應出設置了傾斜支座的橋墩無論是在升溫還是降溫狀態下均發生了向上坡端位移的情況，這與理論分析一致。

圖1 蓋梁受力狀態示意

圖2 整體升溫狀態

圖3 整體降溫狀態

綜上所述，如果支座安裝不水平，則無論升溫還是降溫，墩頂均會發生向上坡方向的位移。同時，梁體伸長或縮短時，支座上鋼板端部很容易滑入四氟滑板內，造成四氟滑板的滑動面出現局部壓槽，導致上鋼板卡在壓槽內，失去正常滑動功能，上鋼板只能單向滑動，不能回復滑動，周而復始，導致墩頂向上坡方向位移逐漸累加，引發橋墩偏移病害。

2 坡度自適應球形支座設計理念

為解決現役T梁梁底支座安裝不水平的問題，從支座結構設計出發，如圖4所示，與傳統球形支座不同，創新性地提出將支座球面朝上的設計理念。即水平鋼板、球冠襯板的平面朝向墩臺方向，支座產生位移時水平鋼板不動，支座上座板和球冠襯板隨梁體的位移而位移，支座轉角隨著墩臺和梁板之間的夾角而產生，水平鋼板的水平度靠墩臺平整度產生。因為球冠襯板隨位移產生移動，所以支點是變化的，因而不產生力矩，不影響支座承載力和位移。

圖4 支座設計示意圖

總體上，坡度自適應球型鋼支座水平鋼板放置在墩臺上，優點在于：

(1)采用加大曲率的球面來適應梁底坡度不平，橋梁縱坡不大于4%的情況下無須設置楔形墊板，減小用楔形鋼板帶來的水平度誤差，安裝方便快捷。

(2)墩臺水平度施工方便，水平度得以有效控制，支座水平鋼板與墩臺表面接觸良好，降低施工難度。

(3)在下支座鋼板兩個方向上均增設了水平液位計，方便施工和后期檢查維護。

(4)安裝后增設防塵罩，有效保護支座免受環境污染，增強支座耐久性。

3 橋梁高墩糾偏效果分析

3.1 高墩豎直度變化分析

對存在上述病害的橋梁高墩進行糾偏施工，并更換為坡度自適應球型支座，一定時間段后對高墩豎直度進行復測，通過施工前后的對比分析，判定高墩豎直度糾偏的效果。合計統計了15座高速橋梁共95個墩柱相關數據。經分析可將高墩糾偏前后系統地分為以下7種狀態，如圖5所示，①、②、③分別表示墩柱的初始豎直度、糾偏施工后豎直度和復測豎直度，虛線表示墩柱的理論設計軸線。狀態1表示對橋墩初始豎直度偏差進行一定量值的糾正，糾偏后豎直度偏差與初始偏差同向，復測時豎直度偏差有所增加，即橋墩軸線偏離設計軸線，但未超過初始偏差；狀態2表示對橋墩初始豎直度偏差進行較大量值的糾正，糾偏后豎直度偏差與初始偏差反向，復測時豎直度偏差有所減小，即橋墩軸線趨于設計軸線；狀態3表示對橋墩初始豎直度偏差進行一定量值的糾正，糾偏后豎直度偏差與初始偏差同向，復測時豎直度偏差有所減小，即橋墩軸線趨于設計軸線；同理，其他幾個狀態見圖5。

理論上來講，狀態2和狀態3最為理想，糾偏后墩柱線形趨于設計軸線，說明糾偏效果顯著；狀態5

圖5 墩柱糾偏前后狀態

最為不利，糾偏后墩柱線形越發偏離設計軸線，墩柱豎直度未得到改善，產生這一問題的主要原因是施工順序不對或糾偏措施不當導致墩柱豎直度偏差加劇，這一狀態是糾偏施工中應當避免的情況。

從圖6(a)統計結果可以看出，糾偏施工后約90%的橋墩處于狀態1、狀態2和狀態3，其中狀態1比重最大，約為62%，這說明大部分墩柱糾偏后偏差度有一定量值的回復。定義高墩豎直度改善率=(①-③)/①，剔除狀態5后(狀態5對應的墩柱豎直度未得到改善)，如圖6(b)統計可以看出，約67%的墩柱改善率達到40%以上，基本達到了墩柱糾偏施工的目的。狀態1的改善率大部分在40%～60%，狀態2、狀態3的改善率達到80%～100%范圍內居多，這也再次說明狀態2、狀態3的糾偏效果較為顯著。

圖6 高墩狀態及豎直度改善率統計

通過以上數據分析可以看出，通過橋墩糾偏施工并更換新支座后，大部分橋墩出現了不同程度的復位現象，個別橋墩的復位值達到糾偏值的70%以上。經分析產生復位的原因主要歸結為以下幾方面：

(1) 糾偏施工只能恢復橋墩部分彈性變形，若橋墩在糾偏前已出現塑性變形，該部分變形無法恢復。

(2) 個別橋墩由于施工質量控制不得當，導致施工期間即出現了豎直度問題，即存在“先天缺陷”，無法通過糾偏施工恢復橋墩豎直度。

(3) 既有橋梁橋墩出現豎直度偏差，說明糾偏前橋墩及對應位置的上部結構即處于一種自平衡狀態，人為糾偏后，僅是調整了墩身本身的位置，未達到平衡狀態，糾偏后橋墩會有一定的復位。

3.2 支座變化情況分析

在檢測墩柱豎直度過程中，也對新更換的支座進行了調查。從現場調查可以發現，大部分新支座防塵罩依然完好，少部分防塵罩破損，支座本身未見明顯的損壞和較大的縱向滑移；支座兩側水平液位計中氣泡基本處于中間位置。總體上來說，坡度自適應球型支座應用效果較好，可以自動調節、適應既有T梁的梁底坡度，可在很大程度上釋放由于支座安裝不水平導致的墩頂向上坡方向的水平推力。

4 結論

通過理論計算和有限元分析闡述了高墩、大縱坡T梁橋墩頂縱向偏移問題產生的機理，即梁底支座安裝不水平導致墩頂產生向上坡方向的水平推力，為解決這一問題，提出了坡度自適應球型支座設計理念。通過跟蹤測量與分析表明，橋墩糾偏施工配合更換該球型支座，可有效釋放由于支座安裝不水平導致的墩頂水平推力，進而減小橋墩豎直度偏差，改善橋墩受力狀態。在高墩糾偏以及大縱坡高墩橋梁新建中該支座有較大的應用前景。