陳山山

（上海千年城市規(guī)劃工程設(shè)計股份有限公司,上海市 201108）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全國各地不少橋梁相繼發(fā)生了梁體滑移現(xiàn)象，尤其各交通干線上的橋梁，需要找出造成梁體滑移的原因，為梁體修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

濟(jì)南黃河二橋橋梁總長5 750 m，由主橋及南、北引橋和引道組成。半幅橋的上部構(gòu)造為7片預(yù)制T梁。設(shè)計荷載：汽-超20，掛-120；橋面凈寬35.5 m。

經(jīng)初步勘察，發(fā)現(xiàn)濟(jì)南黃河二橋南、北引橋部分梁體發(fā)生整體滑移，滑移示意如圖1所示。該橋是沿線區(qū)域的主要交通通道，作為連接濟(jì)南繞城高速公路的大型橋梁，對于地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。因此對濟(jì)南黃河二橋梁體滑移進(jìn)行深入調(diào)查和評估，及時發(fā)現(xiàn)缺陷并排除安全隱患。

圖1 引橋結(jié)構(gòu)布局及梁體滑移示意圖

主要滑移梁體有三聯(lián)：大橋南側(cè)的第21聯(lián)向橋臺方向下滑；大橋北側(cè)的第19聯(lián)向橋臺方向下滑；第18聯(lián)也向橋臺方向下滑。

2 梁體滑移原因分析評估

2.1 板式橡膠支座參數(shù)

板式橡膠支座是由多層薄橡膠片與剛性加勁材料黏結(jié)而成，橋梁上常用的橡膠支座每層橡膠片厚5 mm，橡膠片間嵌入2 mm厚的薄鋼板。由于鋼板的加勁，阻止橡膠片的側(cè)向膨脹，從而提高了橡膠片的抗壓能力。

橡膠支座是一種比較理想的橋梁支座，它是靠橡膠層的剪切變形和不均勻壓縮來滿足支座位移和轉(zhuǎn)動的需要。

濟(jì)南黃河二橋采用的是矩形板式橡膠支座和四氟滑板式橡膠支座，其中板式橡膠支座尺寸為300 mm×500 mm×78 mm，滑動支座尺寸為300 mm×500 mm×80 mm。其主要參數(shù)見表1。

2.2 超重車偏載下橋梁空間受力性能分析

T梁橋是由縱梁和橫梁組成的空間受力體系，在偏載情況下，橋梁一側(cè)支座可能會出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，而作用荷載一側(cè)可能會出現(xiàn)支座壓應(yīng)力過大的情況，進(jìn)而可能引起橋梁滑動移位，需要對偏載工況進(jìn)行驗算。

2.2.1 有限元模型

利用MIDAS/Civil 8.3.2建立超重車偏載有限元模型。

建立單幅一孔35 m T梁進(jìn)行偏載作用下支反力驗算，主梁、橫隔板、橋面板均采用板單元模擬，板單元厚度與實際結(jié)構(gòu)一致。

表1 黃河二橋板式橡膠支座主要參數(shù)表

2.2.2 車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)與制動力

針對近些年，車輛超載現(xiàn)象嚴(yán)重，車輛偏載荷載采用標(biāo)準(zhǔn)車輛和特種車輛兩種荷載。標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載按規(guī)范《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11-2011），城-A級標(biāo)準(zhǔn)載重汽車采用五軸式貨車加載，總重70 t。特種車輛荷載按規(guī)范《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》，采用特-160特種平板掛車加載，總重160 t。

汽車制動力按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）第4.3.6條取值。標(biāo)準(zhǔn)車輛作用下，一個車道制動力取單車道車輛荷載的10%和165 kN的較大值。特-160車輛作用下，制動力取計算范圍內(nèi)車輛荷載的10%。

2.2.3 汽車荷載加載工況

工況1：70 t標(biāo)準(zhǔn)車輛單車道偏載。

工況2：70 t標(biāo)準(zhǔn)車輛雙車道偏載。

工況3：特-160車輛單道偏載。

工況4：特-160車輛雙道偏載。

2.2.4 計算結(jié)果

經(jīng)計算得出各支座反力見表2。

表2 支座反力統(tǒng)計表

2.2.5 支座滑移穩(wěn)定計算

規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）第8.4.3條規(guī)定：

計入汽車制動力時，

式中：Rck為結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值和0.5倍汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值引起的支座反力。

支座的抗滑力為μRck，支座的滑動力為1.4倍水平溫度力+水平制動力。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，本節(jié)計算摩擦系數(shù)μ取0.2?？够朴嬎憬Y(jié)果見表3。

表3 抗滑移計算表

由計算結(jié)果可知，最大支座水平反力為4.9 t（工況4的1～3號支座），滑動力/抗滑力的最大值為0.3，支座滑移穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

各偏載組合工況下，各支座均受壓，未出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象，支座摩阻力約為支座水平反力的3～5倍，支座抗滑能力滿足要求。所以在支座水平情況下，單純偏載不會引起橋梁滑移現(xiàn)象。

2.3 梁體滑移原因分析

根據(jù)檢測及分析結(jié)果，在施工誤差和徐變共同作用下，支座調(diào)平鋼板的水平度超過規(guī)范限值的比例較高，總體是臨河側(cè)高、橋臺側(cè)低。

調(diào)平鋼板過大的傾斜角度使支座偏心受壓，甚至局部脫空，在脫空的相反一側(cè)，又使得支座出現(xiàn)過大的壓應(yīng)力，該壓應(yīng)力一方面導(dǎo)致板式橡膠支座的剪變模量增大，另一方面導(dǎo)致支座的摩阻系數(shù)降低。

高應(yīng)力狀態(tài)下，板式橡膠支座剪變模量增大，在同樣的升降溫作用時，該支座承受的水平力也相應(yīng)增大，在制動力作用下，剪變模量較大的支座也會分擔(dān)更多的水平力。

支座不水平，T梁將上部荷載傳遞給支座時，會產(chǎn)生一定的水平分力，該水平分力會使得T梁有向下滑動的趨勢。

考慮以上諸多不利影響因素，對橋梁支座滑移進(jìn)行計算。

2.3.1 有限元模型

本次建立3跨35 m T梁模型，模擬第18聯(lián)下游一聯(lián)橋梁。每個模型共有節(jié)點912個，板單元847個，材料為C50混凝土，厚度為0.16 m（T梁頂板）、0.17 m（T梁腹板標(biāo)準(zhǔn)段）、0.32 m（T梁腹板加厚段）、0.19 m（橫隔板與端橫梁厚度）。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

車輛荷載：本聯(lián)35 m×3=105 m，共四車道，按最不利考慮，平面共加載6輛超重車輛。

超重車輛按規(guī)范《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》，采用特-160特種平板掛車加載，總重160 t。汽車制動力按規(guī)范《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》第4.3.6條加載。

2.3.2 支座模擬

支座剛度按規(guī)范《公路橋梁板式橡膠支座》（JT/T 4-2004）計算。

該模型對應(yīng)轉(zhuǎn)角超限支座的轉(zhuǎn)角見表4。

表4 下游第18聯(lián)調(diào)平鋼板角度超限一覽表

根據(jù)G-σ曲線[1]，對角度超限支座剪切彈性模量進(jìn)行修正，剪變模量與壓應(yīng)力關(guān)系如圖3所示。

擬合公式為

圖3 剪切模量與壓應(yīng)力關(guān)系圖

式中：Gt為剪切彈性模量，MPa；σ 為壓應(yīng)力，MPa。修正支座水平剛度見表5。

表5 支座水平剛度修正表

2.3.3 計算結(jié)果

由有限元模型計算出該聯(lián)橋梁的水平及豎向支反力見表6。

2.3.4 支座傾角下滑力

該聯(lián)橋梁實測支座轉(zhuǎn)角經(jīng)過統(tǒng)計，超限支座已接近50%，且最大轉(zhuǎn)角為3-1號支座的+1.3°，已超過規(guī)范允許轉(zhuǎn)角的2倍。所以由支座轉(zhuǎn)角引起的支座反力水平分量也是不可忽略的。

支座傾角下滑力計算簡圖如圖4所示。支座傾角下滑力計算：

式中：Fx為支座下滑力，支座反力水平分量；F為支座反力；θ為實測支座轉(zhuǎn)角角度。

則支座傾角下滑力計算值見表7。

表6 水平及豎向支反力匯總表

圖4 支座傾角下滑力計算簡圖

表7 支座傾角下滑力匯總表

計算可見3-1號支座反力水平分量為2.6 t，已大于溫度力產(chǎn)生的水平反力2.1 t。2.3.5摩擦系數(shù)

由摩擦系數(shù)研究曲線[2]可知，隨著豎向荷載的增大，摩擦系數(shù)反而減小。

如圖5所示，支座壓應(yīng)力在20～25 MPa范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)已接近0.1，且呈下降趨勢。

圖5 摩擦系數(shù)與壓應(yīng)力的關(guān)系

根據(jù)本文實測支座轉(zhuǎn)角計算出支座壓縮量、應(yīng)力，進(jìn)而得出支座摩擦系數(shù)，見表8。

2.3.6 滑移穩(wěn)定計算

計算同本文2.2.5節(jié)?；瑒恿τ嬋胫ё鶅A角下滑力，抗滑移計算結(jié)果見表9。

由表9計算可知，第三排支座，已有5個支座滑動力大于抗滑力，支座滑移穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

在不考慮支座傾斜角度和高應(yīng)力對支座剪變模量影響的情況下，對橋梁進(jìn)行偏載分析，研究發(fā)現(xiàn)，該橋并不會出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象，支座應(yīng)力也在較為正常的范圍內(nèi)，單純的制動力并不能造成橋梁的滑移。

表8 支座摩擦系數(shù)表

支座調(diào)平鋼板傾斜角度過大，使得支座處于高應(yīng)力狀態(tài)，該支座的剪變模量G值增大，同時高應(yīng)力也使得支座摩阻系數(shù)降低，綜合考慮以上因素后，在整體升溫和重車制動力作用下，有些支座滑移不能滿足規(guī)范要求。經(jīng)分析，在上述幾重不利因素影響下，支座將會出現(xiàn)滑移。調(diào)平鋼板不水平是造成橋梁滑移的主要原因，為后期該橋頂升平移修復(fù)提供了理論依據(jù)，同時也為其他梁體滑移橋梁的修復(fù)提供了一定的參考價值。

表9 抗滑移計算表

[1]吳剛，王克海，李沖，等.板式橡膠支座摩擦滑移特征性參數(shù)分析[J].土木工程學(xué)報，2014，47（1）：108-112.

[2]葉蔚嫦.橋梁板式橡膠支座剪切模量檢測方法研究及抗壓彈性模量測試系統(tǒng)剛度分析[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2005.