板式橡膠支座病害對橋梁結(jié)構(gòu)的影響

周 偉，李 燦，于帥琦，王 鵬

（北京市建設(shè)工程質(zhì)量第三檢測所有限責(zé)任公司，北京 100037）

0 引言

根據(jù)調(diào)查資料顯示，由于橡膠支座具有結(jié)構(gòu)相對簡單、性能可靠、承載能力強(qiáng)、便于施工等特點(diǎn)，在各種結(jié)構(gòu)形式的橋梁中得到廣泛應(yīng)用。橡膠支座在正常的使用過程中，因受各種因素的影響而逐漸出現(xiàn)脫空、老化開裂、剪切變形、破損等病害。當(dāng)支座出現(xiàn)病害后，不但會影響橋梁結(jié)構(gòu)的受力分布，甚至?xí)绊憳蛄旱陌踩\(yùn)營。本文主要以板式橡膠支座為例，分析支座病害對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

1 橋梁支座病害檢測技術(shù)及評定方法

1.1 橋梁支座常見病害

通過全國多座橋梁現(xiàn)場檢測工作的總結(jié)歸納，結(jié)合收集到的國內(nèi)外參考文獻(xiàn)資料，對板式橡膠支座常見病害進(jìn)行匯總，典型病害照片如圖1～5 所示。

圖1 支座老化開裂

圖2 支座鼓包破壞

圖3 支座脫空

圖4 支座串動(dòng)

圖5 支座剪切變形

1.2 橋梁支座病害評定標(biāo)準(zhǔn)

橋梁支座的病害普遍存在于城市橋梁，視病害種類及嚴(yán)重程度，處理修復(fù)措施也不盡相同。輕微損傷對橋梁影響較小，可不必馬上進(jìn)行處理，暫時(shí)進(jìn)行重點(diǎn)觀察即可，而有些病害影響橋梁受力傳導(dǎo)或承載能力，為保證橋梁安全運(yùn)營，需立即進(jìn)行專項(xiàng)維修。對不同種類及程度的病害對應(yīng)的處理措施，就需要定性分析。DB32/T 2172－2012《公路橋梁橡膠支座病害評定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)為公路橋梁給出了這方面的評定標(biāo)準(zhǔn)，對橋梁橡膠支座病害作了如下分級。

支座 1 級病害:進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)處理，控制病害發(fā)展后可正常使用，屬于輕度病害［1-4］。

支座 2 級病害:已對支座使用功能產(chǎn)生影響，對于這類支座病害應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)處理或者修復(fù)并定期觀察。嚴(yán)格控制病害發(fā)展后仍可使用，屬于中度病害。

支座 3 級病害:支座已部分或者完全喪失使用功能，必須立即更換，屬于重度病害。

2 支座病害對橋梁的影響

支座病害對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響主要體現(xiàn)在兩部分。①不能正常地完成傳遞荷載的作用，導(dǎo)致橋梁內(nèi)力增加；②支座不能滿足橋梁結(jié)構(gòu)正常位移的要求，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)受力形式發(fā)生變化，內(nèi)力增加。

下面通過 Midas 軟件進(jìn)行建模，分別模擬簡支梁橋和連續(xù)梁橋支座出現(xiàn)病害后，分析對橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

2.1 支座病害對簡支梁橋內(nèi)力的影響

為了更好地研究或分析板式橡膠支座病害對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，擬以一座簡支梁橋?yàn)槔治銎鋵?nèi)力的影響。根據(jù)工程實(shí)例使用 Midas，建立一個(gè)跨徑為 29.7 m，橫向布置 5 片 T 梁的簡支梁模型。主梁結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力的鋼筋混凝土 T 梁，支點(diǎn)截面及跨中截面尺寸如圖6 所示。建立簡支梁模型如圖7 所示。

圖6 截面尺寸示意圖（單位：m）

圖7 簡支梁模型

針對橋梁支座病害對主梁內(nèi)力及變形的影響，通過改變支座連接屬性來模擬支座病害，從而分析出支座病害對主梁的影響。

通過 Midas 分析，可以得到主梁在正常情況下的受力以及變形情況。橋梁支座所受反力情況如圖8 所示，橋梁的內(nèi)力彎矩圖如圖9 所示，變形情況如圖10所示。

圖8 橋梁反力示意圖

圖9 橋梁彎矩圖

圖10 變形情況示意圖

當(dāng)橋梁中的部分支座出現(xiàn)脫空時(shí)，會喪失部分工作性能，甚至?xí)适康墓ぷ餍阅埽囟〞蛄航Y(jié)構(gòu)的整體工作性能產(chǎn)生一定的影響。在如下的分析中，假定支座出現(xiàn)完全脫空，計(jì)算主梁結(jié)構(gòu)受到的影響。

模擬工況:2 號梁和 4 號梁的左側(cè)支座完全脫空。

通過 Midas 分析支座反力、內(nèi)力彎矩的大小和橋梁變形情況，支座反力如表1 所示，彎矩內(nèi)力匯總于表2，橋梁變形情況匯總?cè)绫? 所示。

表1 橋梁支座反力匯總表

表2 橋梁彎矩內(nèi)力匯總表

表3 橋梁變形情況匯總表

通過對數(shù)據(jù)的分析，對于簡支梁，當(dāng)橋梁支座發(fā)生脫空時(shí)，無論是對橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力還是橋梁的變形都會有很大的影響，具體的分析結(jié)果如下。

①1 號梁的左側(cè)支點(diǎn) X 方向反力增加了 26 %，Z 方向反力增加了 49.8 %（217.3 kN）；左側(cè)的彎矩內(nèi)力增加了 53.8 %（71.4 kN·m），其他內(nèi)力及變形沒有太大的變化；②2 號梁的左側(cè)支點(diǎn)處的彎矩內(nèi)力由以前的139.9 kN·m 變?yōu)?1.9 kN·m，變化量為以前的 101.3 %；右側(cè)支點(diǎn)處 X 方向反力減小 24.5 %，其他內(nèi)力和變形沒有明顯變化；③3號梁的左側(cè)支點(diǎn)處 Z 方向反力增加量高達(dá) 478 kN，變化量為以前的 103.3 %；左側(cè)彎矩內(nèi)力由正常情況下的 142.1 kN·m 增長到 304.8 kN·m，變化量為以前的 114.5 %，右側(cè)支點(diǎn)Z方向反力增加了 45.1 %（209.4 kN）；④4 號梁及 5 號梁分別與 2 號梁及 1 號梁的受力以及影響情況基本相同，不做過多的分析。

通過數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)簡支梁橋部分支座完全脫空時(shí)，首先會導(dǎo)致發(fā)生病害處的梁端彎矩發(fā)生大幅度的變化，使橋梁結(jié)構(gòu)處于一種不利的受力狀態(tài)，加速橋梁的破壞。其次，導(dǎo)致其相鄰梁支座處的彎矩和Z方向反力大幅度增長，這樣會導(dǎo)致這個(gè)支座由于受壓過大發(fā)生開裂、外鼓等病害，最終影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全。同時(shí)，由于當(dāng) 2 號梁及 4 號梁同側(cè)支座均完全脫空，3 號梁左側(cè)支點(diǎn) Z 方向的反力和彎矩的增加量為兩片梁異側(cè)發(fā)生病害時(shí)的兩倍，由此可以發(fā)現(xiàn)支座病害對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響存在疊加的現(xiàn)象。因此，如果不能對支座病害及時(shí)地采取相應(yīng)的維修措施，會導(dǎo)致與其相鄰的梁體結(jié)構(gòu)在不利的受力情況下迅速發(fā)生破壞，甚至影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全。

2.2 支座病害對連續(xù)梁橋內(nèi)力的影響

對于連續(xù)梁橋，同樣利用 Midas 建立一座 30 m×2 跨的連續(xù)梁，橫向布置 5 片 T 梁的模型。建立簡支梁模型如圖11 所示。

同樣通過改變支座連接屬性來模擬支座病害，從而分析出支座病害對主梁的影響。

通過 Midas 建模分析可以得到在正常受力情況下，橋梁支座所受反力情況如圖12 所示，橋梁的內(nèi)力彎矩如圖13 所示，變形情況如圖14 所示。

圖12 連續(xù)橋梁反力示意圖

圖13 連續(xù)橋梁彎矩圖

圖14 連續(xù)變形情況示意圖

模擬工況:當(dāng)?shù)?1 跨 3 號梁的左右兩個(gè)支座均完全脫空。

通過 Midas 分析支座反力、內(nèi)力彎矩的大小和橋梁變形情況，支座反力如表4 所示，彎矩內(nèi)力如表5 所示，橋梁變形情況如表6 所示。

表4 橋梁支座反力匯總表

表5 橋梁彎矩內(nèi)力匯總表

表6 橋梁變形情況匯總表

通過對連續(xù)梁的 Midas 建模數(shù)據(jù)分析，可以看出當(dāng)連續(xù)梁的第 1 跨的 3 號梁的兩個(gè)支座完全脫空時(shí)，對連續(xù)梁的內(nèi)力和變形都會有很大的影響。具體的分析結(jié)果如下。

①首先會導(dǎo)致與其同跨的相鄰梁的豎向支反力的增加，與其距離較近的 2 號梁及 4 號梁的左側(cè)支點(diǎn)豎向支反力分別增加了 40.8 kN 和 50.7 kN，右側(cè)支點(diǎn)的豎向支反力分別增加了 62.5 kN 和 72.9 kN；而與其距離較遠(yuǎn)的 1 號梁及 5 號梁的左側(cè)支點(diǎn)豎向支反力分別增加了 22.6 kN 及 28.2 kN，右側(cè)支點(diǎn)的豎向支反力分別增加了 36.4 kN 和 38 kN；而對于與其相鄰跨的支座反力幾乎沒有影響；由此可以看出，連續(xù)梁的支座脫空病害，會導(dǎo)致與其相鄰支座的豎向支反力的增加，且影響隨距離的增加而減小，而對于相鄰跨的支座反力幾乎沒有影響；②對于橋梁結(jié)構(gòu)的彎矩內(nèi)力，當(dāng)支座出現(xiàn)脫空病害后會導(dǎo)致連續(xù)梁中間支點(diǎn)處的彎矩值的變化，兩邊跨中間支點(diǎn)處的彎矩值增加了 74.5 kN·m，而 2 號梁及 4 號梁中間支點(diǎn)處的彎矩值減小了 29 kN·m，3 號梁的中間支點(diǎn)處的彎矩減小了 143 kN·m；內(nèi)力的變化會影響到橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，對橋梁的正常工作會產(chǎn)生很大的影響；③彎矩內(nèi)力最大的影響在于發(fā)生支座病害處的橫隔梁會由以前的不受力狀態(tài)變?yōu)?343.3 kN·m 的彎矩，這非常容易引起橫隔梁的破壞，最終影響橋梁的正常使用；連續(xù)梁的支座脫空病害對橋梁的變形未見明顯影響。

2.3 支座病害對橋梁影響的特點(diǎn)

通過 Midas 對連續(xù)梁及簡支梁的建模分析，支座病害對橋梁結(jié)構(gòu)的受力影響存在以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1）當(dāng)梁體支座發(fā)生脫空病害時(shí)，會導(dǎo)致與其相鄰梁體支座處的彎矩和反力大幅度增長，這樣會導(dǎo)致支座由于受壓過大發(fā)生開裂、外鼓等病害。同時(shí)由于梁體結(jié)構(gòu)的彎矩大幅度增加，會導(dǎo)致梁體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂、變形等病害影響橋梁的安全運(yùn)營。

2）當(dāng)梁體支座發(fā)生脫空病害時(shí)，會導(dǎo)致發(fā)生病害處的梁端彎矩不但發(fā)生數(shù)值大小的變化，而且會改變彎矩作用的方向。此時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)會處于一種不利的受力狀態(tài)下，加速橋梁的破壞。

3）支座病害對相鄰梁體結(jié)構(gòu)的影響隨距離的增加有所減小。

4）支座病害對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響存在疊加的現(xiàn)象。

5）支座病害會導(dǎo)致與其相鄰支點(diǎn)處的彎矩內(nèi)力增加，而且存在疊加的現(xiàn)象。

3 結(jié)語

綜合建模分析，結(jié)合實(shí)際檢測結(jié)果及國內(nèi)外參考文獻(xiàn)資料，可以看出嚴(yán)重的橋梁支座病害無論是對橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，還是對橋梁結(jié)構(gòu)的變形都會產(chǎn)生一定的不利影響。

當(dāng)橋梁支座發(fā)生嚴(yán)重病害后，會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，因此會產(chǎn)生許多不利荷載，使得橋梁的整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)發(fā)生變化，甚至?xí)?dǎo)致橋梁的破壞。而橋梁的破壞體現(xiàn)在支座和梁體兩個(gè)方面，首先，由于梁體支點(diǎn)處的反力大幅增加，會使處于正常工作狀態(tài)下的支座由于荷載過大或受不利荷載的影響，發(fā)生破壞；其次，由于支座病害會導(dǎo)致梁體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的改變，甚至?xí)⒄９ぷ髦惺苷龔澗氐牧后w轉(zhuǎn)為負(fù)彎矩作用，這樣會加速梁體結(jié)構(gòu)的破壞，嚴(yán)重情況下會影響橋梁的安全運(yùn)營。