某小半徑斜彎橋項目的板式橡膠支座病害機理及治理分析

摘要 小半徑斜彎橋作為一種特殊的橋梁結構形式，其受力情況較為復雜，受溫度效應影響較大，在車輛離心力作用下，容易產生支座變形、脫空現象，影響橋梁使用安全。為有效探究小半徑斜彎橋板式橡膠支座的病害產生機理，提高支座病害處治效果，文章依托某公路橋梁工程橡膠支座處治案例，根據橋梁支座病害檢測結果，初步推測病害形成原因，利用數值模擬計算進一步分析了板式橡膠支座的病害產生機理，并提出了具體的處治方案，取得了顯著成效，相關研究成果可供同行參考借鑒。

關鍵詞 公路橋梁項目；板式橡膠支座；小半徑斜彎橋；處治方案

中圖分類號 U443.361 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0151-03

0 引言

公路橋梁工程建設時，受沿線地形及現有構造設施影響，通過采用小半徑斜彎橋進行過渡，以有效滿足實際工程需求。此類橋梁結構在服役過程中，受汽車離心力作用，橋梁上部結構會產生橫向位移，導致支座系統出現偏壓現象，從而引發支座變形、脫空、失效等問題，威脅橋梁使用安全。為此，該文結合某橋梁工程案例，系統分析了小半徑斜彎橋板式橡膠支座的病害產生機理，并提出了具體的處治措施，對提高橋梁支座病害處治水平，保證橋梁使用安全，具有十分重要的意義。

1 工程概況

某公路橋梁工程采用小半徑斜彎橋設計，于2020年正式投入運營，限速40.0 km/h。上部結構為連續預應力T梁結構，橋跨組合為（2×25+5×25）m，斜向夾角60 °，總長度為182.5 m。該橋位于R=150.0 m圓曲線上，橋面總寬度為9.2 m，車行道寬度為8.2 m，雙側防護欄桿寬度為0.5 m×2。橡膠支座縱、橫向布設形式見圖1所示。

通過現場專項調查發現，整橋超過4/5以上的支座存在變形、脫空、開裂等問題，其中脫空范圍高達10.0%，高度超過1.0 mm。整橋支座病害分布情況，見圖2所示。

2 病害成因分析

橋梁支座變形、脫空及開裂分別為1級、2級及3級病害；其中，對于1、2級病害支座實施修復處理并加強監測即可，而對于3級病害支座應進行更換處理[1]。根據該橋梁支座病害實際情況，初步推測其病害成因如下：

（1）橋梁結構設計時僅考慮極限荷載作用下支座外側外緣脫空的狀況，而忽略了結構自身重力及混凝土徐變作用，從而造成支座內側外緣產生脫空病害。

（2）板式橡膠支座內部橡膠層較薄且厚度不均勻，實際使用過程中存在受力不均現象，進而導致支座局部變形、脫空[2]。

（3）支座安裝位置不準確，其中軸線與上部蓋梁及下部橋墩中軸線不在同一垂線上，存在偏壓現象[3]。

（4）墊石頂部平整度及標高不達標，造成支座存在局部受力過大問題，從而使部分支座處于脫空狀態。

3 橋梁支座計算

3.1 支座計算工況

由于該彎橋處于R=150.0 m曲線上，在對支座受力分析時應充分考慮離心力作用，支座變形條件下的橫向荷載分布見圖3所示。荷載計算時應全面考慮重載交通、支座脫空、變形等情況。

根據現行《公路橋梁設計技術規程》相關規定進行離心力計算，具體情況如下：

（1）工況一：550×2×302/（127×150）≈51.97 kN

（2）工況二：800×2×602/（127×150）≈302.36 kN

（3）工況三：550×2×302/（127×150）≈51.97 kN

3.2 支座荷載計算

根據該橋梁原始設計方案，其橫橋向設置4片預應力混凝土T梁，鋪裝層為厚度10.0 cm瀝青混凝土+厚度8.0 cm C50混凝土，橫橋坡度為6.0%。

單跨T梁重量為108.3×26=2 813.8 kN

單跨二期恒載：0.82×25×23+0.656×25×25+7.5×25×2=1 256.6 kN

單跨交通荷載：（10.5×25+310）×2=1 145.0 kN

各支座豎向荷載：

[1.2×（2 813.2+1 256）+1.4×1 145]/4=1 621.4 kN

在支座脫空面積為10.0%、高度為1.0 mm的條件下，受到的橫向荷載作用：H=1621.5×0.08=129.6 kN。通過計算得到三種工況條件下每一支座的受力大小，見表1所示。

3.3 數值模擬

通過MIDAS FEA NX系統構建板式橡膠支座模擬，單層加勁鋼板、橡膠層及中間層厚度依次為5.0 mm、2.5 mm、12.0 mm，鋼板、橡膠通過實體模型進行模擬，相關技術指標見表2所示。采用接觸模型對車輪摩擦力作用下的支座受力情況實施模擬分析，D550×110支座底部及頂部的摩擦系數分別為0.3和0.2，板式支座網格模型見圖4所示。

根據支座實際受力情況，在加勁鋼板及橡膠部位分別施加豎、橫向均勻荷載；對于支座存在的10.0%脫空狀況，為簡化計算過程，通過調整豎向荷載位置對支座脫空狀態的受力狀況實施模擬分析[4-5]，具體受力形式見圖5所示。

按照現行《橋梁工程板式橡膠支座施工技術規程》相關要求，求出三種工況下支座受力及變形情況，詳細數據見表3所示：

通過分析表3可知：

（1）由工況一、二對比發現，汽車超載、超速條件下，橋梁支座產生的側向位移較大。

（2）由工況一、三對比發現，橋梁支座脫空條件下，其側向位移較大。

（3）由工況二、三對比發現，相較于汽車超載、超速，支座脫空導致的側向位移較大。

4 橋梁支座缺陷處治方案

4.1 處治方案

通過模擬計算可知，橋梁支座系統產生的水平剪切變形、開裂、脫空等病害與汽車超載、超速離心力過大密切相關[6-7]。針對此類現象，提出在彎橋部位設置限速、限載標識，以有效防止超速、超載現象，降低支座受到的荷載作用。同時，由于既有擋塊已產生裂縫，為防止T梁結構出現側向滑移，應在橋墩頂部合適部位設置橫向限位裝置。詳細處治方案如下：

（1）按照相關標準要求，并結合橋梁實際情況，在合適部位設置醒目限速、限載設施，保證車輛運行安全[8]。

（2）通過液壓式千斤頂抬升橋梁上部結構，將各支座的墊石頂面調節至指定標高，采用阻尼減震支座替換板式橡膠支座，并補齊缺失擋塊。

（3）在橋墩頂部支座側移及變形部位的蓋梁底部設置限位裝置，以有效控制支座側向移動[9]，限位裝置布設示意圖見圖6所示。

4.2 加固效果

按照以上治理方案，通過設置鋼板有效修復支座脫空病害，確保支座受力均衡，避免出現支座偏載現象，防止支座開裂、變形。通過設置水平限位裝置，將汽車運行過程中形成的離心作用轉移至墩臺基礎，顯著降低了支座水平荷載作用[10]。當前，該橋梁工程改造處理后已運營一年，支座運行狀況良好，未出現脫空、變形等問題，效果顯著。

5 結語

綜上所述，該文結合某小半徑斜彎橋支座病害處治實踐，通過數值模擬計算分析了板式橡膠支座的病害產生機理，提出了具體的處治措施，具體結論如下：

（1）汽車超載、超速及支座脫空均會導致支座側向位移，但相較于汽車超載、超速條件下，支座脫空導致的側向位移較大，因此橋梁運營過程中應加強支座性能檢測，確保其始終處于優良狀態。

（2）針對橋梁支座脫空病害，利用液壓式千斤頂抬升橋梁上部結構，將各支座的墊石頂面調節至指定標高，并采用阻尼減震支座替換板式橡膠支座，增設限位裝置，確保支座受力均衡，可避免出現支座偏載現象，防止支座側移脫空。

（3）支座剪切破壞與外部荷載、支座材質、運行環境等因素密切相關，維修治理時應全面考慮。

參考文獻

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收稿日期：2024-02-04

作者簡介：廖承松（1987—），男，大專，助理工程師，從事公路工程試驗檢測工作。