聶超武

(湖南省益陽(yáng)公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司, 湖南 益陽(yáng) 413000)

0 引言

支座是橋梁結(jié)構(gòu)中的受力構(gòu)件組成之一，是將上部結(jié)構(gòu)受力荷載傳遞到下部結(jié)構(gòu)起轉(zhuǎn)換作用的橋梁重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，上部結(jié)構(gòu)承受的恒載和活載通過(guò)支座傳遞給橋墩或橋臺(tái)，使橋梁結(jié)構(gòu)在汽車荷載、溫度變化收縮徐變、自身及其他荷載等作用下能自由變形[1]。支座不但受汽車荷載反復(fù)作用，同時(shí)暴露在大自然中，受溫度、紫外線、臭氧等各類化學(xué)物質(zhì)不斷侵蝕。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，交通量急劇增加，再加上不當(dāng)施工以及支座本身存在先天性質(zhì)量缺陷等原因，使支座過(guò)早出現(xiàn)大量病害而遠(yuǎn)未能達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命。

近年來(lái)，交通部門對(duì)于橋梁養(yǎng)護(hù)逐漸重視起來(lái)，然而在役橋梁基數(shù)較大，各種原因而造成的危橋廣泛存在，因此，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)橡膠支座性能展開(kāi)研究。李悅等[2]通過(guò)對(duì)板式橡膠支座進(jìn)行疲勞荷載試驗(yàn)，研究橡膠支座的極限剪切性能。張恩超等[3]通過(guò)超低周疲勞荷載研究在水平力作用下橡膠支座的水平剛度性能。蘇南[4]結(jié)合工程實(shí)際，分析了橋梁橡膠支座常見(jiàn)病害原因。彭坤等[5]為研究板式橡膠支座的滑動(dòng)性能，對(duì)其進(jìn)行壓剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在水平加載過(guò)程中支座發(fā)生脫空、滑動(dòng)及卡壓等現(xiàn)象。Kelly等[6]分析了橡膠內(nèi)部形成微小縫隙對(duì)支座抗拉剛度的影響，結(jié)果表明，橡膠支座的初始抗拉剛度與抗壓剛度接近,但在較小應(yīng)變時(shí)即達(dá)到屈服荷載，其后剛度迅速減小。Kasalanti等[7]通過(guò)對(duì)支座施加預(yù)應(yīng)力來(lái)減小或抵消支座可能承受的拉力，從而提高支座的耐久性。陳鵬等[8]在保證支座水平性能正常的前提下，提出一種滑動(dòng)連接構(gòu)造，提高了支座整體豎向抗拉能力。

綜上，現(xiàn)有研究主要集中于支座極限承載力和疲勞性能的研究，并且主要是針對(duì)局部構(gòu)件，實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)一般處于線彈性工作狀態(tài)，該狀態(tài)下支座帶病害工作時(shí)橋梁整體的力學(xué)性能并不明確。因此對(duì)支座帶病工作時(shí)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究，具有一定的實(shí)際工程意義。

1 工程概況

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋地處福建省龍巖市上杭縣省道S308線上，該橋?yàn)?×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁橋，橋長(zhǎng)223.04 m，橋梁位于半徑為254.76 m的圓曲線上，每跨共5片梁，7道橫隔梁，梁高2 m；主梁采用C50混凝土；預(yù)應(yīng)力索為3-7φ5，錨具采用OVM15-3型，波紋管尺寸φ50 mm。設(shè)計(jì)汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽超-20，掛-120級(jí)；橋面全寬11.5 m，橋面凈寬10.5m；橋面縱坡為-2.869%，全橋共70個(gè)板式橡膠支座。

2 支座檢查

對(duì)橋梁板式橡膠支座進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)全面檢測(cè)，主要包括以下內(nèi)容[9]：①支座是否有滑移及局部脫空現(xiàn)象；②剪切變形是否過(guò)大；③支座壓縮變形是否過(guò)大；④支座是否開(kāi)裂；⑤支座加勁鋼板層間的橡膠是否外涂均勻，各層間是否存在過(guò)大的向外凸出或側(cè)面整體向外凸出；⑥支座支承墊石頂面是否有開(kāi)裂、積水的情況。

3 全橋支座現(xiàn)狀及成因分析

通過(guò)對(duì)全橋橡膠支座進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)80%板式橡膠支座嚴(yán)重老化開(kāi)裂，裂縫嚴(yán)重，部分支座被壓潰，即將失去正常使用功能，如圖1所示，支座病害及數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖1 典型支座病害圖

表1 支座損壞類型統(tǒng)計(jì)位置損壞類型數(shù)量/處支座發(fā)生橫向剪切變形27第1～7跨支座老化開(kāi)裂,破損48支座鼓脹開(kāi)裂16

支座病害產(chǎn)生原因可能是由于該橋位于省道上，交通量及大車混入率均較大，且橋梁2.869%的縱坡導(dǎo)致橋梁所承受的汽車荷載水平?jīng)_擊力較大，支座發(fā)生剪切變形，并且支座長(zhǎng)期與限位裝置的相互作用使得支座發(fā)生了鼓脹開(kāi)裂及損壞。

4 靜載試驗(yàn)研究

為了解板式橡膠支座即將失效時(shí)，橋梁在靜態(tài)荷載作用下的承載能力狀況及受力性能，對(duì)其進(jìn)行了靜載試驗(yàn)研究。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，本次靜載試驗(yàn)荷載等級(jí)為汽超-20，掛-120級(jí)；基于有限元分析軟件Midas Civil進(jìn)行理論計(jì)算分析，有限元分析模型如圖2所示，選取第1跨和第2跨為荷載試驗(yàn)跨，采用4輛40 t后8輪加載車可使試驗(yàn)效率系數(shù)控制在0.95～1.05之間，分4級(jí)加載，測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置如圖3～圖5所示：

圖2 全橋有限元模型示意圖

圖3 測(cè)試截面布置示意圖(單位： m)

圖4 撓度測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖5 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位： m)

受篇幅限制，本文只列出第1跨的第2級(jí)與第4級(jí)試驗(yàn)結(jié)果,如表2、表3所示。

表2中：第1跨在第4級(jí)試驗(yàn)荷載加載下，各試驗(yàn)點(diǎn)最大撓度校驗(yàn)系數(shù)值為0.68，最大相對(duì)殘余變位值為0.05。表3中：最大實(shí)際應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.71，最大相對(duì)殘余應(yīng)變值為0.11，以上數(shù)值均符合試驗(yàn)規(guī)程[10]中相關(guān)容許值的規(guī)定。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明該橋仍滿足設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)汽超-20,掛-120級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)也說(shuō)明支座破損嚴(yán)重的情況下，橋梁剛度及強(qiáng)度仍有一定的安全儲(chǔ)備，對(duì)橋梁的剛度及強(qiáng)度影響不大。

表2 第1跨撓度測(cè)試結(jié)果測(cè)點(diǎn) 彈性變位殘余變位第2級(jí)第4級(jí)卸載實(shí)測(cè)值/mm 理論值/mm 實(shí)測(cè)值/mm 理論值/mm 校驗(yàn)系數(shù)實(shí)測(cè)值/mm 相對(duì)變位/mm 1-1截面10.090.000.230.00—0.01—30.130.000.310.00—0.02—

續(xù)表2 第1跨撓度測(cè)試結(jié)果測(cè)點(diǎn) 彈性變位殘余變位第2級(jí)第4級(jí)卸載實(shí)測(cè)值/mm 理論值/mm 實(shí)測(cè)值/mm 理論值/mm 校驗(yàn)系數(shù)實(shí)測(cè)值/mm 相對(duì)變位/mm 12.363.984.747.480.630.160.0323.215.596.1210.510.580.230.0402-2截面33.516.266.7611.780.570.330.0543.45.596.5110.510.620.310.0552.993.985.117.480.680.190.043-3截面10.140.000.220.00—0.00—30.170.000.260.00—0.01—注:在撓度測(cè)試時(shí),1-1、3-3截面是墩臺(tái)處截面,不計(jì)算其校驗(yàn)系數(shù)及相對(duì)變位。

表3 第1跨應(yīng)變測(cè)試結(jié)果測(cè)點(diǎn) 彈性變位殘余變位第2級(jí)第4級(jí)卸載實(shí)測(cè)值/10-6理論值/10-6實(shí)測(cè)值/10-6理論值/10-6校驗(yàn)系數(shù)實(shí)測(cè)值/10-6相對(duì)變位/10-614567831230.6740.05263951111730.64100.083691061231940.6380.062-2截面459951091730.63130.1154367791230.6480.096274255770.7150.087132025370.6820.07

5 動(dòng)載試驗(yàn)研究

在靜載試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，為了解板式橡膠支座帶病工作時(shí)橋梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)載試驗(yàn)研究。

本次動(dòng)載試驗(yàn)在第1跨跨中截面邊梁布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)不同車速行駛以及剎車作用下測(cè)點(diǎn)的動(dòng)撓度時(shí)程曲線進(jìn)行采集。汽車以不同的車速行駛在測(cè)試橋跨以及剎車和跳車時(shí)，第1跨跨中截面邊梁測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)撓度及動(dòng)態(tài)撓度增量系數(shù)，如表4所示。

由表4可知，以不同的速度勻速行駛時(shí)，動(dòng)態(tài)撓度增量系數(shù)最大值為0.471；以不同的速度剎車時(shí)，動(dòng)態(tài)撓度增量系數(shù)最大值為0.190。由于該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋的固有頻率的理論值fc為3.91，根據(jù)規(guī)范[11]4.3.2節(jié)知，沖擊系數(shù)μ計(jì)

表4 跨中截面在各工況下的動(dòng)撓度測(cè)試結(jié)果表工況速度/(km·h-1)動(dòng)撓度/mm動(dòng)態(tài)增量203.9590.132無(wú)障礙行車304.3620.471404.8250.357504.0190.372剎車203.3460.123304.0190.190

算公式：

μ=0.176 7ln(fc)-0.0157=0.225

(1)

因此設(shè)計(jì)值為0.225，實(shí)測(cè)30～50 km/h跑車時(shí)沖擊系數(shù)均大于設(shè)計(jì)計(jì)算值。說(shuō)明橋梁支座帶病害工作時(shí)，對(duì)橋梁動(dòng)態(tài)性能影響較大，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)最大達(dá)理論值的2.1倍，這是由于支座發(fā)生病害后，對(duì)橋梁的約束效果減弱，在超重汽車的反復(fù)動(dòng)荷載作用下，橋梁動(dòng)載響應(yīng)值將顯著增大。故當(dāng)支座即將失效或失效前應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行更換，防止橋梁因過(guò)大的動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生主梁飄移或墩柱偏位。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以某預(yù)應(yīng)力混凝土T梁為工程背景，根據(jù)支座病害檢查結(jié)果，開(kāi)展了橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)，探究了支座帶病害工作對(duì)橋梁靜動(dòng)力力學(xué)性能的影響，可得到以下結(jié)論：

1) 支座帶病害工作時(shí)，橋梁靜力力學(xué)性能衰減不顯著，橋梁的跨中應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)和殘余應(yīng)變均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

2) 支座帶病害工作時(shí)，橋梁動(dòng)力響應(yīng)顯著增大，實(shí)測(cè)車輛30～50 km/h速度時(shí)沖擊系數(shù)均大于設(shè)計(jì)計(jì)算值，最大達(dá)到了2.1倍。