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某小半径斜弯桥项目的板式橡胶支座病害机理及治理分析

2024-07-05 19 上传者：管理员

摘要：小半径斜弯桥作为一种特殊的桥梁结构形式，其受力情况较为复杂，受温度效应影响较大，在车辆离心力作用下，容易产生支座变形、脱空现象，影响桥梁使用安全。为有效探究小半径斜弯桥板式橡胶支座的病害产生机理，提高支座病害处治效果，文章依托某公路桥梁工程橡胶支座处治案例，根据桥梁支座病害检测结果，初步推测病害形成原因，利用数值模拟计算进一步分析了板式橡胶支座的病害产生机理，并提出了具体的处治方案，取得了显著成效，相关研究成果可供同行参考借鉴。

关键词：
公路桥梁项目
处治方案
小半径斜弯桥
板式橡胶支座
桥梁结构
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公路桥梁工程建设时，受沿线地形及现有构造设施影响，通过采用小半径斜弯桥进行过渡，以有效满足实际工程需求。此类桥梁结构在服役过程中，受汽车离心力作用，桥梁上部结构会产生横向位移，导致支座系统出现偏压现象，从而引发支座变形、脱空、失效等问题，威胁桥梁使用安全。为此，该文结合某桥梁工程案例，系统分析了小半径斜弯桥板式橡胶支座的病害产生机理，并提出了具体的处治措施，对提高桥梁支座病害处治水平，保证桥梁使用安全，具有十分重要的意义。

1、工程概况

某公路桥梁工程采用小半径斜弯桥设计，于2020年正式投入运营，限速40.0 km/h。上部结构为连续预应力T梁结构，桥跨组合为（2×25+5×25)m，斜向夹角60°，总长度为182.5 m。该桥位于R=150.0 m圆曲线上，桥面总宽度为9.2 m，车行道宽度为8.2 m，双侧防护栏杆宽度为0.5 m×2。橡胶支座纵、横向布设形式见图1所示。

图1橡胶支座纵、横向布设示意图

通过现场专项调查发现，整桥超过4/5以上的支座存在变形、脱空、开裂等问题，其中脱空范围高达10.0%，高度超过1.0 mm。整桥支座病害分布情况，见图2所示。

图2整桥支座病害分布示意图

2、病害成因分析

桥梁支座变形、脱空及开裂分别为1级、2级及3级病害；其中，对于1、2级病害支座实施修复处理并加强监测即可，而对于3级病害支座应进行更换处理[1]。根据该桥梁支座病害实际情况，初步推测其病害成因如下：

(1）桥梁结构设计时仅考虑极限荷载作用下支座外侧外缘脱空的状况，而忽略了结构自身重力及混凝土徐变作用，从而造成支座内侧外缘产生脱空病害。

(2）板式橡胶支座内部橡胶层较薄且厚度不均匀，实际使用过程中存在受力不均现象，进而导致支座局部变形、脱空[2]。

(3）支座安装位置不准确，其中轴线与上部盖梁及下部桥墩中轴线不在同一垂线上，存在偏压现象[3]。

(4）垫石顶部平整度及标高不达标，造成支座存在局部受力过大问题，从而使部分支座处于脱空状态。

3、桥梁支座计算

3.1支座计算工况

由于该弯桥处于R=150.0 m曲线上，在对支座受力分析时应充分考虑离心力作用，支座变形条件下的横向荷载分布见图3所示。荷载计算时应全面考虑重载交通、支座脱空、变形等情况。

图3橡胶支座变形条件下的横向荷载分布示意图

根据现行《公路桥梁设计技术规程》相关规定进行离心力计算，具体情况如下：

(1）工况一：550×2×302/(127×150)≈51.97 k N

(2）工况二：800×2×602/(127×150)≈302.36 k N

(3）工况三：550×2×302/(127×150)≈51.97 k N

3.2支座荷载计算

根据该桥梁原始设计方案，其横桥向设置4片预应力混凝土T梁，铺装层为厚度10.0 cm沥青混凝土+厚度8.0 cm C50混凝土，横桥坡度为6.0%。

单跨T梁重量为108.3×26=2 813.8 k N

单跨二期恒载：0.82×25×23+0.656×25×25+7.5×25×2=1 256.6 k N

单跨交通荷载：(10.5×25+310)×2=1 145.0 k N

各支座竖向荷载：

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

在支座脱空面积为10.0%、高度为1.0 mm的条件下，受到的横向荷载作用：H=1621.5×0.08=129.6 k N。通过计算得到三种工况条件下每一支座的受力大小，见表1所示。

3.3数值模拟

通过MIDAS FEA NX系统构建板式橡胶支座模拟，单层加劲钢板、橡胶层及中间层厚度依次为5.0 mm、2.5 mm、12.0 mm，钢板、橡胶通过实体模型进行模拟，相关技术指标见表2所示。采用接触模型对车轮摩擦力作用下的支座受力情况实施模拟分析，D550×110支座底部及顶部的摩擦系数分别为0.3和0.2，板式支座网格模型见图4所示。

表1各工况支座内力计算一览

表2各材料主要物理力学参数

图4 D550×110板式支座网格模型

根据支座实际受力情况，在加劲钢板及橡胶部位分别施加竖、横向均匀荷载；对于支座存在的10.0%脱空状况，为简化计算过程，通过调整竖向荷载位置对支座脱空状态的受力状况实施模拟分析[4,5]，具体受力形式见图5所示。

图5支座脱空状态受力简图

按照现行《桥梁工程板式橡胶支座施工技术规程》相关要求，求出三种工况下支座受力及变形情况，详细数据见表3所示：

表3各工况支座计算对比一览

通过分析表3可知：

(1）由工况一、二对比发现，汽车超载、超速条件下，桥梁支座产生的侧向位移较大。

(2）由工况一、三对比发现，桥梁支座脱空条件下，其侧向位移较大。

(3）由工况二、三对比发现，相较于汽车超载、超速，支座脱空导致的侧向位移较大。

4、桥梁支座缺陷处治方案

4.1处治方案

通过模拟计算可知，桥梁支座系统产生的水平剪切变形、开裂、脱空等病害与汽车超载、超速离心力过大密切相关[6,7]。针对此类现象，提出在弯桥部位设置限速、限载标识，以有效防止超速、超载现象，降低支座受到的荷载作用。同时，由于既有挡块已产生裂缝，为防止T梁结构出现侧向滑移，应在桥墩顶部合适部位设置横向限位装置。详细处治方案如下：

(1）按照相关标准要求，并结合桥梁实际情况，在合适部位设置醒目限速、限载设施，保证车辆运行安全[8]。

(2）通过液压式千斤顶抬升桥梁上部结构，将各支座的垫石顶面调节至指定标高，采用阻尼减震支座替换板式橡胶支座，并补齐缺失挡块。

(3）在桥墩顶部支座侧移及变形部位的盖梁底部设置限位装置，以有效控制支座侧向移动[9]，限位装置布设示意图见图6所示。

图6支座横向限位装置布设示意图

4.2加固效果

按照以上治理方案，通过设置钢板有效修复支座脱空病害，确保支座受力均衡，避免出现支座偏载现象，防止支座开裂、变形。通过设置水平限位装置，将汽车运行过程中形成的离心作用转移至墩台基础，显著降低了支座水平荷载作用[10]。当前，该桥梁工程改造处理后已运营一年，支座运行状况良好，未出现脱空、变形等问题，效果显著。

5、结语

综上所述，该文结合某小半径斜弯桥支座病害处治实践，通过数值模拟计算分析了板式橡胶支座的病害产生机理，提出了具体的处治措施，具体结论如下：

(1）汽车超载、超速及支座脱空均会导致支座侧向位移，但相较于汽车超载、超速条件下，支座脱空导致的侧向位移较大，因此桥梁运营过程中应加强支座性能检测，确保其始终处于优良状态。

(2）针对桥梁支座脱空病害，利用液压式千斤顶抬升桥梁上部结构，将各支座的垫石顶面调节至指定标高，并采用阻尼减震支座替换板式橡胶支座，增设限位装置，确保支座受力均衡，可避免出现支座偏载现象，防止支座侧移脱空。

(3）支座剪切破坏与外部荷载、支座材质、运行环境等因素密切相关，维修治理时应全面考虑。

参考文献:

[1]田岳松,吴辉琴,胡强,等.板式橡胶支座的智能化研究[J].广西科技大学学报, 2021(4):65-70.

[2]李悦,李治,李冲.支座摩擦滑移和挡块力学性能退化影响下桥梁易损性研究[J].土木工程学报, 2020(S2):280-287.

[3]徐略勤,傅沛瑶,李建中,等.板式橡胶支座梁桥的典型横向震害及其影响因素分析[J].振动与冲击, 2020(2):209-217.

[4]董振华,贺存哲,程寿山,等.考虑摩擦滑移的普通板式橡胶支座剪切性能研究[J].中国公路学报, 2020(2):83-93.

[5]李飞.桥梁板式橡胶支座的设计与计算——以大柏店路桥为例[J].安徽建筑, 2023(8):131-133.

[6]魏存杰,田建德,赵桂英.公路桥梁板式橡胶支座应用中需要注意的几个问题[A].中国公路学会桥梁和结构工程分会2006年全国桥梁学术会议论文集[C].南京:中国公路学会桥梁和结构工程分会. 2023:629-633.