孫明德 班新林 臧曉秋 曹志峰 董亮 劉文薦

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心，北京100844

橋梁支座是連接橋梁上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的重要部件［1-2］，其能將橋梁上部結(jié)構(gòu)的反力和變形可靠地傳遞給橋梁下部結(jié)構(gòu)。支座是各種荷載集中作用的部位，其性能關(guān)系到橋梁乃至整條線路的運(yùn)營(yíng)安全。由于環(huán)境腐蝕、材料磨損老化、施工安裝不當(dāng)、運(yùn)營(yíng)荷載較大等原因［3-5］，在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段出現(xiàn)了鐵路橋梁支座性能劣化問(wèn)題。為確保鐵路行車(chē)安全，須對(duì)橋梁支座及其配套裝置出現(xiàn)的病害進(jìn)行整治。

國(guó)內(nèi)頂升橋梁更換支座時(shí)大多采用整聯(lián)同步頂升和橫橋向同步、縱橋向單墩或多墩頂升兩種方案［6-8］。整聯(lián)同步頂升不會(huì)在梁體產(chǎn)生次內(nèi)力，但需要數(shù)量龐大的千斤頂；橫橋向同步、縱橋向單墩或多墩頂升在頂升時(shí)梁體會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力［9］，頂升后梁體應(yīng)力須在容許范圍內(nèi)。本文以一鐵路連續(xù)梁橋?yàn)槔?，采用橫橋向同步、縱橋向單墩頂升方案更換橋梁支座，頂升前對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，以確定是否滿足要求。

1 支座病害

1.1 工程概況

連續(xù)梁計(jì)算跨度為（48+80+48）m，邊支座中心線至梁端0.75 m，梁全長(zhǎng)177.5 m。梁高沿縱向呈二次拋物線形變化，中支點(diǎn)梁高7.0 m，邊支點(diǎn)及跨中梁高均為4.3 m。箱梁截面采用單箱單室直腹板形式，頂板寬12.0 m，底板寬6.7 m。梁體混凝土采用C55，支座采用球型支座，每個(gè)橋墩上布置2個(gè)，如圖1所示。其中ZX表示縱向活動(dòng)支座，HX表示橫向活動(dòng)支座，DX表示多向活動(dòng)支座，GD表示固定支座。

圖1 連續(xù)梁支座布置

1.2 病害現(xiàn)狀

拆除連續(xù)梁的墩梁固結(jié)后，發(fā)現(xiàn)3#墩右側(cè)（面向大里程方向）的縱向活動(dòng)支座下座板局部異常變形，下座板橫橋向中部向下凹陷，兩側(cè)翹曲，支座板與灌漿料脫離，產(chǎn)生縫隙；下座板其他區(qū)域未發(fā)生明顯異常變形。支座的病害情況如圖2所示。

圖2 連續(xù)梁支座病害

1.3 支座病害原因分析

支座下座板異常變形的原因可能是初始變形異常或灌漿料強(qiáng)度不足引起的變形。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研排除初始變形。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生較大變形的下座板下方的灌漿料強(qiáng)度較低。拆除臨時(shí)支撐后灌漿料受壓，灌漿料強(qiáng)度不足的一側(cè)，由于彈性模量較小在相同壓力作用下發(fā)生較大變形。

球型支座下座板的異常變形如果不進(jìn)行整改，線路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后其變形會(huì)繼續(xù)發(fā)展，造成支座其他部件損傷，進(jìn)而影響橋梁的運(yùn)營(yíng)安全。為達(dá)到橋梁支座原設(shè)計(jì)要求，采用橫橋向同步頂升、縱橋向單墩頂升方案更換支座。

2 梁體頂升的受力分析

為確定更換支座時(shí)梁體的安全頂升高度，建立有限元模型（圖3）計(jì)算不同頂升高度下主梁應(yīng)力情況。橋梁成橋后的應(yīng)力分布狀態(tài)與施工過(guò)程有關(guān)，因此按實(shí)際施工過(guò)程及支座約束情況計(jì)算成橋應(yīng)力，再與頂升時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行疊加，確定主梁的安全頂升高度。

圖3 連續(xù)梁有限元模型

2.1 成橋狀態(tài)下梁體應(yīng)力

成橋狀態(tài)下主梁頂板、底板應(yīng)力分別見(jiàn)表1、表2。C55混凝土結(jié)構(gòu)在彎曲受壓及偏心受壓時(shí)容許壓應(yīng)力為18.5 MPa［10］，有箍筋和斜筋時(shí)容許主拉應(yīng)力為2.97 MPa。由表1、表2可知：頂板內(nèi)側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力、底板內(nèi)外側(cè)均受壓；主梁的最大壓應(yīng)力為-10.91 MPa，最大拉應(yīng)力為1.04 MPa，成橋狀態(tài)下主梁的應(yīng)力符合規(guī)范要求。

表1 主梁頂板應(yīng)力 MPa

表2 主梁底板壓應(yīng)力 MPa

2.2 頂升引起的梁體應(yīng)力

在3#墩處施加豎向強(qiáng)迫位移（即頂升），頂升高度分別為5、10、15、20、25、30 mm，其他墩的支座按實(shí)際情況進(jìn)行約束。不同頂升高度下主梁頂?shù)装鍛?yīng)力分布見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)，在3#墩處頂升時(shí)2#、3#墩兩側(cè)應(yīng)力曲線變化幅度均較大，3#墩兩側(cè)應(yīng)力略大于2#墩，說(shuō)明頂升對(duì)3#墩相鄰兩側(cè)梁體應(yīng)力影響較大。

圖4 不同頂升高度下主梁頂?shù)装鍛?yīng)力

2.3 考慮頂升成橋狀態(tài)下梁體應(yīng)力

將未施加二期恒載時(shí)梁體應(yīng)力和頂升過(guò)程中引起的梁體應(yīng)力進(jìn)行疊加，得到主梁頂?shù)装宓寞B加應(yīng)力，見(jiàn)圖5?？芍孩僭?#墩處頂升5～30 mm時(shí)，梁頂板外側(cè)最大壓應(yīng)力為-11.1 MPa、最大拉應(yīng)力為0.29 MPa；梁頂板內(nèi)側(cè)最大壓應(yīng)力為-10.08 MPa、最大拉應(yīng)力為1.03 MPa，主梁頂板的應(yīng)力符合規(guī)范要求。②在3#墩處頂升5～30 mm時(shí)，梁底板外側(cè)、內(nèi)側(cè)均受壓，最大壓應(yīng)力分別為-10.42、-9.80 MPa，主梁底板的應(yīng)力符合規(guī)范要求。

圖5 未施加二期恒載時(shí)不同頂升高度下主梁頂?shù)装瀵B加應(yīng)力

施加二期恒載后不同頂升高度下主梁頂?shù)装宓寞B加應(yīng)力見(jiàn)圖6。可知：①在3#墩處頂升5～30 mm時(shí)，頂板外側(cè)最大壓應(yīng)力為-10.50 MPa、最小壓應(yīng)力為-0.29 MPa；頂板內(nèi)側(cè)最大壓應(yīng)力為-9.88 MPa、最大拉應(yīng)力為1.02 MPa，主梁頂板的應(yīng)力符合規(guī)范要求。②在3#墩處頂升5～30 mm時(shí)，底板外側(cè)、內(nèi)側(cè)均受壓，最大壓應(yīng)力分別為-8.72、-6.88 MPa，主梁底板的應(yīng)力符合規(guī)范要求。

圖6 施加二期恒載后不同頂升高度下主梁頂?shù)装瀵B加應(yīng)力

根據(jù)頂升經(jīng)驗(yàn)，梁體頂升20 mm即可完成支座更換，同時(shí)設(shè)計(jì)中橋墩允許不均勻沉降值為±20 mm。由圖6可知，梁體頂升20 mm時(shí)最大壓應(yīng)力為-10.67 MPa，最大拉應(yīng)力為1.03 MPa，均滿足規(guī)范要求。因此，建議梁體頂升高度取20 mm。

2.4 梁體頂升的局部受力分析

在橋墩頂部布設(shè)液壓千斤頂16臺(tái)，每臺(tái)液壓千斤頂?shù)捻斏? 000 kN。根據(jù)TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］3.1.5條混凝土局部承壓應(yīng)力提升系數(shù)公式，計(jì)算得出當(dāng)千斤頂中心距梁體邊緣60 cm時(shí)，混凝土局部承壓應(yīng)力提高系數(shù)β=4.2。其中：A為計(jì)算底面積；Ac為局部承壓面積；d/2為局部承壓面的圓心至構(gòu)件邊緣的最小距離。

根據(jù)TB 10092—2017，C55混凝土在中心受壓情況下容許抗壓強(qiáng)度為14.8 MPa，β不應(yīng)大于3，因此β取3，混凝土局部承壓應(yīng)力為14.8×3=44.4 MPa。

二期恒載施加后，3#墩處的支反力為47 401.8 kN，所需承壓面積A=47 401.8/（16×44.4）=66 725.5 mm2。

在千斤頂上方鋪設(shè)2塊尺寸為260 mm（長(zhǎng)）×260 mm（寬）×20 mm（厚）的鋼板即可滿足頂升承壓面積要求。

3 支座更換施工步驟

①施工準(zhǔn)備，人員和機(jī)具進(jìn)場(chǎng)、搭設(shè)橋墩施工平臺(tái)。②連續(xù)梁縱向限位，在連續(xù)梁梁端的梁縫處使用薄膜內(nèi)澆筑自流平砂漿進(jìn)行限位。③拆卸橋墩爬梯和防落梁擋塊。④在頂梁位置的連續(xù)梁箱梁內(nèi)部安裝鋼支柱。⑤安裝千斤頂，每臺(tái)千斤頂頂部、底部各放置2塊尺寸為500 mm（長(zhǎng)）×500 mm（寬）×20 mm（厚）的鋼板。⑥根據(jù)設(shè)計(jì)要求拆除扣件或放松扣件的扣壓力，并解除支座與梁體（墊石）間的螺栓連接。⑦千斤頂起頂，同一墩（臺(tái)）上的支座應(yīng)同步頂升，支座頂升值間的最大偏差應(yīng)小于1.0 mm。頂升20 mm時(shí)鎖定千斤頂，并安裝臨時(shí)支撐。⑧更換支座，鑿除和重新澆筑支座下方的灌漿料。⑨千斤頂回油落梁使支座承壓，梁體就位后擰緊支座與梁體（墊石）間的連接螺栓，拆除梁端砂漿限位、臨時(shí)支撐和千斤頂。⑩恢復(fù)軌道扣件，檢查軌道狀態(tài)。

為保證支座更換順利進(jìn)行，須在梁底橫斷面對(duì)稱安裝位移計(jì)，保證在連續(xù)梁頂升過(guò)程中橫橋向的同步性和可控性。

4 結(jié)論

1）未施加二期恒載、在3#墩處頂升5～30 mm時(shí)，梁體最大拉應(yīng)力為1.03 MPa、最大壓應(yīng)力為-11.1 MPa，梁體應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

2）施加二期恒載后，在3#墩處頂升5～30 mm時(shí)，梁體最大拉應(yīng)力為1.02 MPa，最大壓應(yīng)力為-10.50 MPa，梁體應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3）頂升高度為20 mm，頂升時(shí)在千斤頂上方鋪設(shè)鋼板，梁底混凝土局部承壓應(yīng)力可滿足要求。