预制小箱梁板式橡胶支座布置方案分析

吴玉财，张 勇

(1.广东省高速公路有限公司，广东广州 510100;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

预制小箱梁是公路桥梁设计中被广泛采用的结构形式，以往设计中单片梁一般采用四支座的布置方案，即在梁的每端设两个支座。根据在役桥梁的病害调查结果，由于施工误差的存在，四支座布置方案会不可避免地引起支座出现局部脱空病害，部分桥梁甚至出现整体脱空及滑移病害，使小箱梁呈现“三条腿”的支承状态，导致小箱梁的受力状态偏离原设计，严重时支承状态的改变将引发小箱梁产生结构性病害。目前预制小箱梁四支座布置方案引起的支座病害呈现逐年增多的趋势，已成为该类结构的常见病害和多发病害。通过优化支座布置方案以解决此类结构的支座病害，是目前设计人员广泛关注的技术问题。

本文以广东省交通科技项目《新建高速公路桥梁支座配套技术研究》(2010-02-019)为依托，开展预制小箱梁支座布置方案研究，提出了相应的工程对策，以消除以往支座布置方式引起的支座病害，使结构的支承状态及受力状态符合设计要求。

1 支座布置方案选择

1.1 支座布置方案

对于小箱梁而言，以下两种支座布置方案是可供选择的。

方案一:三支座布置方案。

采用三支座布置方案时，预制小箱梁一端采用两个支座，另一端采用一个支座，理论上三个支承点可以确定一个支承面，确保支座与梁体底面接触密实。对于多片式预制小箱梁而言，各片梁采用三支座布置方案时应错开布置，即一端单支座和双支座间隔布置，另一端双支座和单支座间隔布置，支座布置方案如图1所示。

图1 三支座布置方案示意

方案二:两支座布置方案。

采用两支座布置方案时，预制小箱梁每端均采用一个支座，支座布置方案如图2所示。

图2 两支座布置方案示意

1.2 支座布置方案比选

针对上述两种支座布置方案，进行小箱梁与横隔梁受力影响分析。横隔梁关键截面应力影响线计算结果表明，边梁内腹板与横隔梁相交截面及横隔梁中间截面对支座布置方案不敏感，两种支座布置方案横向应力影响线差别不大;但端横梁与中间小箱梁腹板相交截面横向应力影响线因支座布置方案不同有所不同，从总的规律来看，单支座布置方案较三支座布置方案对端横梁受力更有利，然而单支座布置方案将加大支座规格型号。

由于三支座方案需要采用不同规格型号支座，因此同一支承端支座的剪切刚度将有所不同，这样势必导致各支座承担的水平力会有所差异，难以发挥多片式梁采用板式橡胶支座时反力分散系统的优势;此外，由于支座规格型号的不同，预制梁底调平块和支承垫石的平面尺寸及高度随着支座型号的不同而变化，这样势必加大施工难度和管理难度，增大支座安装时出现错误的概率。

综上所述，从横隔梁受力及施工可操作性来看，多片式预制小箱梁采用两支座布置方案较三支座布置方案更具有优势。

2 影响分析

预制小箱梁采用两支座布置方案时对结构的影响分析包括两个方面，一方面为对结构受力的影响，另一方面为对结构构造的影响。

2.1 结构受力影响

以25 m小箱梁为例，与四支座布置方案对比，分析两支座布置方案对结构的影响，其两者布置方案的计算模型如图3所示。计算时分别在小箱梁跨中和端横梁处作用100 kN可横向移动的竖向荷载，考察小箱梁在两种不同支座布置方案下跨中截面弯矩分配、梁体扭矩及支点剪力分配的差异，分析小箱梁采用两支座方案后结构受力的变化情况。

图3 两支座及四支座布置方案计算模型

1)跨中截面弯矩

对于简支梁而言，当跨中截面作用集中力p为100 kN时，跨中截面产生的弯矩为 pL/4=100×24.94/4=623.5 kN·m。两种支座布置方案下小箱梁跨中截面计算弯矩分配情况分别如表1和表2所示。

表1 两支座方案跨中截面弯矩分配 kN·m

表2 四支座方案跨中截面弯矩分配 kN·m

从表1、表2可以看出，各箱梁跨中截面弯矩之和与理论计算弯矩略有差别，差别为3.3%左右。从两种支座布置方案下各梁跨中截面弯矩分配对比来看，采用两支座方案时对小箱梁跨中截面弯矩影响较小，两种方案下跨中截面弯矩基本一致。

2)最大扭矩

小箱梁跨中截面作用100 kN集中力时，两种支座布置方案下小箱梁最大计算扭矩分别如表3和表4所示。

表3 两支座方案小箱梁最大扭矩 kN·m

表4 四支座方案小箱梁最大扭矩 kN·m

从表3、表4可以看出，相对于两支座方案而言，采用四支座方案时小箱梁承受的最大计算扭矩要大，对梁体受力不利。

3)支点剪力

计算结果表明，采用两支座方案或四支座方案时，支点剪力横向分布均符合三角形分布，且两种方案支点剪力横向分布一致。

综合上述计算可知，预制小箱梁采用两支座布置方案后，梁体跨中截面弯矩及支点剪力与四支座布置方案基本一致，最大扭矩有所减小，梁体抗扭更为有利。因此，预制小箱梁采用两支座布置方案是可行的。

2.2 结构构造影响

预制小箱梁采用两支座布置方案后，与以往四支座布置方案相比，支座的平面尺寸将显著增大，小箱梁的局部构造亦应进行相应的调整。与交通运输部部颁小箱梁标准图(采用四支座布置方案)对比可知，依托工程小箱梁采用两支座布置方案后，对小箱梁支点附近截面局部构造进行了如下改进:

1)部颁标准图支点处实心段长度为50 cm，依托工程小箱梁实心段长度为52.5 cm;

2)部颁标准图支点处端横隔板厚度为25 cm，依托工程小箱梁支点处端横隔板厚度为30 cm。

实体分析结果表明，依托工程小箱梁支点处实心段长度和端横隔板厚度增大后，小箱梁底板及横隔板受力可以满足两支座布置方案的要求。

3 结论

预制小箱梁采用四支座布置方案常常引发支座出现局部脱空。本文以25 m简支小箱梁为研究对象，从横隔板受力及施工管理两个方面对三支座和两支座布置方案进行了对比分析，提出预制小箱梁采用两支座布置方案更具有优势;在此基础上，分析了两支座方案对结构受力和局部构造的影响。分析结果表明，预制小箱梁局部构造加强后可以满足两支座布置方案的要求。目前依托工程预制小箱梁已全部采用两支座布置方案，本项目的工程经验可为类似工程的实施提供借鉴。

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