李 釗,姚 濤,唐 敏

(1.湖南省芷銅高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410003;2.湖南省高速公路集團(tuán)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410022;3.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000)

交通運(yùn)輸對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有先導(dǎo)性和戰(zhàn)略性的作用,為建設(shè)交通強(qiáng)國(guó),構(gòu)建現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系,我國(guó)大力開(kāi)展交通建設(shè)。由于我國(guó)山區(qū)占地面積廣,山地、溝壑廣泛分布,在交通建設(shè)工程中,山區(qū)高速公路廣泛存在。受山區(qū)地形影響,大縱坡和較柔高墩橋梁被廣泛應(yīng)用。通過(guò)多年山區(qū)高速公路的大規(guī)?？焖侔l(fā)展,大縱坡橋梁在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中易出現(xiàn)墩柱偏移、支座縱向滑移量超限等病害,最嚴(yán)重的情況下梁體幾乎掉在蓋梁上,嚴(yán)重危及結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全。因此,大縱坡橋梁的墩柱偏移和支座接觸滑移問(wèn)題是工程建設(shè)中考慮的重點(diǎn)問(wèn)題之一。謝浩[1]以某高速公路大縱坡柔性梁橋?yàn)楸尘?通過(guò)有限元分析,對(duì)交接墩偏位產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了探討,其研究表明大縱坡柔性梁橋產(chǎn)生交接墩偏位的根本原因?yàn)橹ё惭b不平整。同時(shí),橋墩的偏位還與上部結(jié)構(gòu)的荷載和溫度有關(guān)。劉輝等[2]基于Abaqus軟件,從橋梁縱坡坡度、墩柱高速和支座摩擦系統(tǒng)三方面探討了其對(duì)橋墩偏位的影響。王帥帥[3]對(duì)大縱坡連續(xù)梁橋雙柱墩的縱向偏位成因進(jìn)行了分析,并探討了橋梁上部車(chē)輛在加速和制動(dòng)狀況下對(duì)墩頂位移的影響。蔡靜[4]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和數(shù)值計(jì)算對(duì)橋墩偏位的影響因素進(jìn)行了分析,并提出通過(guò)設(shè)置楔形預(yù)埋鋼板來(lái)減少橋墩縱向偏位。李榮巧[5]基于midas Civil和midas FEA軟件探討了橋墩初始缺陷、汽車(chē)制動(dòng)情況、支座性能、溫度荷載對(duì)橋墩偏位的影響,其研究發(fā)現(xiàn)在支座發(fā)生脫空、邊界條件改變等情況時(shí),對(duì)設(shè)有固定支座的橋墩偏位影響較大。葉鵬飛[6]基于有限元分析,探討了坡度、溫度荷載、制動(dòng)力和支座脫空程度對(duì)支座接觸滑移的影響。杜海鑫[7]通過(guò)研究墩頂縱向偏移的機(jī)理,提出了一種新型的坡度自適應(yīng)球型支座,通過(guò)跟蹤測(cè)量和數(shù)值分析,該支座可減小墩頂水平推力,進(jìn)而改善墩頂偏位問(wèn)題。綜上,目前有關(guān)大縱坡梁橋墩柱偏移和支座接觸滑移的研究,主要集中于機(jī)理分析和偏移控制等方面,從支座技術(shù)角度解決此類病害的研究較少。對(duì)此,本文結(jié)合芷銅高速公路大縱坡橋梁特征,從解決大縱坡梁橋墩柱偏移和支座接觸滑移出發(fā),提出一種新型坡型支座設(shè)計(jì)方式,并通過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用,取得了良好的應(yīng)用效果。

1 傳統(tǒng)橋梁坡度施工方法存在的難點(diǎn)問(wèn)題及病害分析

橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中不可避免的存在一些橫坡和縱坡,導(dǎo)致梁底常和支座存在一定的夾角,因此需要對(duì)坡度進(jìn)行調(diào)坡。目前常用的橋梁調(diào)坡施工一般采用梁底鋼板進(jìn)行預(yù)埋調(diào)坡,也有部分橋梁坡度施工采用梁底預(yù)制混凝土楔形塊調(diào)坡。對(duì)于采用梁底預(yù)埋調(diào)平鋼板進(jìn)行調(diào)坡的方法,需在底模對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行開(kāi)洞,因此降低了底模的通用性。同時(shí),所需的預(yù)埋鋼板需單獨(dú)制作,成本較高。另外,準(zhǔn)確定位梁端底部預(yù)埋鋼板的坡度是全橋縱坡控制的關(guān)鍵,因此安裝的精度要求高,安裝難度較大。對(duì)于采用預(yù)制混凝土楔形塊來(lái)調(diào)節(jié)坡度的方法,由于混凝土楔形塊需預(yù)制模板,而公路路線平縱線不一,混凝土楔形塊厚度不統(tǒng)一,模板與支座坡度所需要的0.01 mm級(jí)的精度,技術(shù)要求不易保證。同時(shí),一般混凝土楔形塊需在底部預(yù)埋鋼板,成本造價(jià)較高。另外,混凝土楔形塊與梁底底部難以達(dá)到完全貼合,支座易偏壓變形。出現(xiàn)坡度誤差時(shí),通常采用墊楔形鋼板的措施補(bǔ)救,但補(bǔ)救難度大、效果差。

綜上可知,采用傳統(tǒng)橋梁坡度施工方法調(diào)節(jié)坡度時(shí),尤其縱、橫坡同時(shí)存在的梁體,梁體預(yù)制過(guò)程中,容易出現(xiàn)以下情況:預(yù)埋楔形鋼板的尺寸、位置及坡度不精確,造成調(diào)平鋼板偏移、傾斜,進(jìn)而導(dǎo)致支座偏壓、變形、錯(cuò)位,立柱墩身偏位,梁體、墩柱局部應(yīng)力集中,出現(xiàn)彎曲變形、開(kāi)裂。其原理為:當(dāng)預(yù)制梁底預(yù)埋鋼板安裝精確,支座安裝水平,如圖1所示,重力G由支座傳遞到下部結(jié)構(gòu),支座垂直受力,不會(huì)產(chǎn)生水平分力。當(dāng)預(yù)制梁底預(yù)埋鋼板未安裝水平,使橋梁支座的頂板不水平,或支座底板安裝不水平,導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)荷載對(duì)支座產(chǎn)生向上坡方向的水平分力;在溫度變化時(shí),水平分力推動(dòng)墩柱頂端向上坡方向偏移,使支座不銹鋼板滑入四氟滑板內(nèi),造成對(duì)四氟滑板的剪切破壞,水平分力持續(xù)推動(dòng)墩柱偏移,導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)墩柱偏移、梁體滑移以及梁體與支座脫離等病害,嚴(yán)重威脅橋梁運(yùn)營(yíng)安全[8]。

G—重力;i—坡度。

2 定制坡型支座微創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)原理

大縱坡預(yù)制梁橋坡型支座由墩臺(tái)、梁體以及坡形支座組成,坡形支座夾持于墩臺(tái)與梁體之間。梁體包括預(yù)埋鋼板,坡型支座包括支座上座板、不銹鋼滑板、中間鋼襯板、承壓橡膠板、支座下座板和支座下螺栓組件。坡型支座的主要調(diào)坡思想為根據(jù)橋梁的橫坡、縱坡確定坡型支座上座板的尺寸,通過(guò)工廠數(shù)控加工定制技術(shù)調(diào)整支座上座板四角高差,控制調(diào)坡精度,使支座上座板縱、橫坡與橋梁縱、橫坡相符,進(jìn)而使支座垂直向下傳導(dǎo)受力,避免產(chǎn)生水平受力。同時(shí),無(wú)需通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)埋鋼板或混凝土楔形塊來(lái)進(jìn)行調(diào)坡,現(xiàn)場(chǎng)制梁時(shí)預(yù)埋鋼板與梁底水平設(shè)置即可,可避免傳統(tǒng)橋梁調(diào)坡施工在大縱坡梁橋下存在的支座脫空、偏壓、變形等問(wèn)題。在梁體架設(shè)正常施工的前提下,只需確保支座安裝位置和方向正確,即可實(shí)現(xiàn)坡型支座一次性安裝成功,并精準(zhǔn)性調(diào)坡。

2.2 定制坡型支座的技術(shù)特點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)

(1)定制坡型支座的主要坡度由支座上座板四角高差實(shí)現(xiàn)(根據(jù)四角尺寸h1、h2、h3、h4計(jì)算),使支座上座板縱、橫坡與橋梁縱、橫坡相符。

如圖2所示,支座四角高度的計(jì)算方法為

圖2 支座調(diào)坡立體示意圖

h1=h2-A×i1

(1)

h3=h2-B×i2

(2)

h4=h3-A×i1=h1-B×i2

(3)

式中:h1為坡型支座四角尺寸1,cm;h2為坡型支座四角尺寸2,cm;h3為坡型支座四角尺寸3,cm;h4為坡型支座四角尺寸4,cm;i1為順橋向坡度,%;i2為橫橋向坡度,%,如無(wú)橫坡,則i2=0;A為順橋向長(zhǎng)度,cm;B為橫橋向長(zhǎng)度,cm。

(2)定制坡型支座除滿足主要坡度的調(diào)節(jié)能力外,還具有消除施工誤差引起的次要坡度(墊石標(biāo)高誤差、梁體底面施工誤差)及調(diào)節(jié)小坡度偏差的能力。常規(guī)支座適應(yīng)轉(zhuǎn)角能力一般為0.02～0.03 rad,定制坡型支座的適應(yīng)轉(zhuǎn)角能力一般不小于0.05 rad。因此定制坡型支座可至少額外提供≥2%的坡度調(diào)節(jié)能力。

(3)定制坡型支座具有以往調(diào)坡方式所不具備的始終保證支座處于水平滑移狀態(tài)的能力,使支座的坡度調(diào)整、轉(zhuǎn)角變形功能與位移功能分離,分工更加明確,保證支座水平受力、位移,達(dá)到了梁體自由伸縮,避免梁體受損的目的。

(4)定制坡型支座的可操作性更強(qiáng),考慮到理論設(shè)計(jì)與實(shí)際施工的誤差,使坡度完全與梁體實(shí)際坡度一致既不現(xiàn)實(shí),也會(huì)增加大量的材料成本,無(wú)形中還增加了難度。定制坡型支座的主要坡度與次要坡度分別適應(yīng)的理念更符合實(shí)際操作,例如坡度偏差不大的橋梁可采用主要坡度設(shè)置一致的支座,剩余坡度偏差通過(guò)支座的大轉(zhuǎn)角適應(yīng)性來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3 坡型支座安裝流程

坡型支座安裝的主要流程為:(1)定制坡型支座,預(yù)制梁體(預(yù)埋鋼板與梁底水平設(shè)置);(2)檢查預(yù)埋鋼板尺寸、標(biāo)高,核對(duì)支座型號(hào)、方向;(3)墊石鑿毛、墩頂錨栓孔清理→吊裝支座,與梁底預(yù)埋鋼板斷續(xù)對(duì)角焊接;(4)吊裝梁體,緊固下地腳螺栓,將支座安放在墊石頂面;(5)安裝模板,重力灌漿;(6)拆除模板、四角墊塊;(7)拆除支座連接板,再次緊固地腳螺栓,安裝圍板。

與傳統(tǒng)調(diào)坡施工流程相比,因預(yù)埋鋼板與梁底水平設(shè)置,降低了預(yù)制梁梁底鋼板調(diào)坡的難度,可縮短制梁周期。同時(shí),省去了梁底馬蹄、斜墊板等,可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)坡,使施工更加便利,避免了人為的安裝錯(cuò)誤。

3 坡型支座應(yīng)用效果

3.1 應(yīng)用效果

芷銅高速位于湘西丘陵向云貴高原的過(guò)渡地帶,橋址溝谷地形大致呈“U”型,切割深度100～200 m,橋隧比62%,有大縱坡橋梁15座,最大縱坡達(dá)6%,超過(guò)40 m的高墩81座,最大墩柱高度達(dá)84.24 m,大縱坡和較柔高墩橋梁較多,易發(fā)生橋梁滑移。全線使用定制坡型支座3 462個(gè),經(jīng)交工驗(yàn)收,橋梁檢測(cè)未有發(fā)現(xiàn)支座偏壓、錯(cuò)位、橋墩偏位、開(kāi)裂等現(xiàn)象。

3.2 制作方面的優(yōu)勢(shì)

使用定制坡型支座,將關(guān)鍵控制點(diǎn)轉(zhuǎn)移到專業(yè)單位,通過(guò)采用專業(yè)工廠數(shù)控加工定制技術(shù),坡度精度等級(jí)可達(dá)到0.01 mm,坡度能達(dá)到萬(wàn)分之二,提高了控制精度。

3.3 費(fèi)用方面的優(yōu)勢(shì)

以本項(xiàng)目拖沖特大橋?yàn)槔?在人員費(fèi)用方面,定制坡型支座調(diào)坡相較于傳統(tǒng)工藝,保守估計(jì)可減少人員約2人,如按每人9 000元/月,八個(gè)月工期計(jì)算,可節(jié)約勞務(wù)費(fèi)用約14.4萬(wàn)元。在材料方面,相較于傳統(tǒng)支座需用梁底的預(yù)埋鋼板進(jìn)行調(diào)坡,保守估計(jì)可節(jié)約3 cm鋼板47.4 t,節(jié)約材料費(fèi)約28.5萬(wàn)元。需要定制的坡型支座117塊,按約3 200元/每塊,總費(fèi)用約37.4萬(wàn)元,對(duì)比分析節(jié)約成本約5.9萬(wàn)元。加之減少后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本,累計(jì)全橋采用坡型支座后共節(jié)約工程造價(jià)50余萬(wàn)元。

表1 普通支座與坡型支座費(fèi)用對(duì)比表

3.4 安全方面的優(yōu)勢(shì)

減少了采用傳統(tǒng)支座的多層鋼板面接觸,降低坡度累計(jì)誤差,支座與梁體接合密貼,從而大幅度提高支座使用壽命和橋梁安全系數(shù),同時(shí)定制坡型支座調(diào)坡工藝能有效的避免傳統(tǒng)橋梁坡度施工方法造成的支座偏壓、變形、錯(cuò)位, 避免因坡度施工誤差造成的墩柱偏位、變形、開(kāi)裂以及梁體與支座脫離等病害發(fā)生;避免結(jié)構(gòu)滑移后的橋梁病害,保證了結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

定制坡型支座調(diào)坡工藝能有效的避免傳統(tǒng)橋梁坡度施工方法造成的支座偏壓、變形、錯(cuò)位,避免因坡度施工誤差造成的墩柱偏位、變形、開(kāi)裂以及梁體與支座脫離等病害發(fā)生;實(shí)現(xiàn)小支座解決大問(wèn)題,避免結(jié)構(gòu)滑移后的橋梁病害,保證了結(jié)構(gòu)安全。

定制坡型支座技術(shù)實(shí)現(xiàn)了將施工現(xiàn)場(chǎng)的坡度盲置施工轉(zhuǎn)化到工廠的“專橋?qū)ＴO(shè)”的定制化處理,實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)施工。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明,定制坡型支座坡度精確,現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)單快捷,大大縮短了標(biāo)段制梁周期,降低了制梁成本;既加快了施工整體進(jìn)度,又減少不必要的投入,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。