空心板梁桥支座更换的施工监控及控制指标分析

马骏　高岩渊

摘 要：文章通过对广靖锡澄高速公路全线空心板梁桥支座病害的调查描述，提出了对病害支座进行更换的处治方案，并论述了在支座更换施工过程中现场监控的重要性和必要性，同时进行理论计算分析得到各项控制指标的量值，用以指导空心板梁桥支座的更换及现场监控的实施，保证桥梁结构的受力安全及支座更换后达到预期的效果。

关键词：空心板梁；支座更换；施工监控；控制指标

在我国当前的各类混凝梁（板）桥中，装配式空心板梁桥应用最为普遍。由于该桥型具有结构形式简单、建筑高度低、用材经济、预制方便，易于标准化生产和施工，便于运输、吊装等优点，成为以前和当前国内公路桥梁20m以下跨径桥梁的首选桥型。而随着交通运输事业的发展，大吨位车辆和交通量不断增加，公路桥梁所负载的运量和负荷不断的增长，桥梁支座受到的影响越来越大，而且施工单位不同，施工质量不一，导致桥梁支座出现不同程度的损伤和损毁。

早期修建的空心板梁桥的板式橡胶支座是直接放置在桥台或盖梁上，支座处未设置垫石，只采用3～5cm阶梯型的砂浆调平层来保证支座安装。从而导致梁体底面与盖梁顶面净空非常小，一般只有6～8cm，有时仅有3.5～5cm，这对于支座的检查非常不利，由于这种特殊性，以往对空心板梁桥支座的使用情况不太重视，也未有合适的检查仪器对此类净空小的板式橡胶支座进行大量的全面检查。

由于对空心板梁桥支座使用状况认识不足，而且检查难以到达，即使可以接近，由于板梁底面和墩、台帽之间空间很小和支座远离墩台帽边缘，眼睛也难以直接看清，需要特殊的检查技术和设备；加之一座空心板梁桥支座数量众多，检查工作量较大，以前桥梁检查不够细化和深入，所以有些管养部门甚至专门拨款进行了专项检查。随着桥梁养护检查的日益重视和深入，在已进行的检查中确实已发现了一定数量的空心板梁桥支座出现了很多病害，有些是相当严重的，对桥梁的安全使用产生了不利的影响。

我国当前的空心板梁桥基本都采用板式橡胶支座，而由于橡胶支座本身存在许多不足，特别是在抗老化性能和耐低温性能等方面较差，而且一些支座材料质量性能差劣，大大降低了橡胶支座的使用寿命。同时由于一块空心板梁有四个支座，在安装时很难保证四个支座在一个受力平面上，桥梁存在纵横坡度情况时，在初期曾采用球冠型橡胶支座来解决这个问题，但是效果不好，最后还是采用平板式橡胶支座。而采用板式橡胶支座由于施工工艺不高和施工质量控制不严，导致一些板梁支座在安装之初就出现脱空、受力不均等情况，从而使支座出现局部不均匀受压、支座压塌、涨裂、钢板锈蚀、剪切变形严重、移位等病害现象，严重的已造成支座损坏，不能满足设计要求，由于支座病害也可能导致铰缝损坏、渗水，横向传力性能降低，单块板梁受力过大，直接影响桥梁结构的安全性与耐久性。所以对这些病害支座进行适当处治迫在眉睫，以保证桥梁安全运营，也是满足当前桥梁预防性养护的精神的。

1 工程概况

广靖锡澄高速公路是连接沪宁高速公路、宁通高速公路和宁靖盐高速公路的重要道路，是京沪高速公路的组成部分，是连接江南江北的重要通道。广靖高速公路从泰兴市广陵镇木行村起点到靖江市靖诚镇十圩村结束，全长17.224千米；锡澄高速公路从江阴市要塞镇起点到锡山市东北塘镇结束，全长34.988千米，广靖锡澄全线共38座空心板梁桥，其中小桥12座、中桥21座、大桥5座，板式橡胶支座总数18656个。38座空心板梁桥中有四种不同跨径，分别是10m、13m、16m和20m，横桥向有8片板梁、12片板梁和16片板梁三种断面形式，8片和12片板梁为无锡互通匝道桥，主线空心板梁桥均为横桥向16片板梁。

板梁支座专项检查发现全线空心板梁桥支座有不同程度和类型的病害，具体支座病害有以下几种类型，描述如下：

1.1 剪切变形过大

经检查发现大部分支座出现了不同程度的剪切变形，多数支座剪切变形超过规范限值。

1.2 支座老化开裂

经检查部分支座的橡胶已经出现了老化开裂的现象，支座橡胶体出现了较为严重的老化开裂、侧面鼓胀等。

1.3 支座周围垃圾

部分支座被固结的水泥等包裹，可能是因为在施工时混凝土和垃圾落到台帽和桥墩盖梁上支座附近，严重的已经完全遮挡了支座，限制了支座的正常变形。

1.4 支座脱空

一些支座存在脱空现象，而存在脱空现象的支座大部分只是局部脱空，只有很少部分局部脱空较为严重。

1.5 出现支座压塌和支座上钢板锈蚀等病害的支座也较多，甚至还有个别桥梁出现支座缺失现象。支座病害如图1-图4所示。

2 支座病害处治

支座是连接桥梁上下部结构的重要构件，其主要功能是将上部结构承受的各种荷载和变形可靠地传递给墩台，并能适应上部结构因荷载、温度变化、混凝土收缩等原因产生的变形，从而使结构的实际受力情况与计算的理论图式相符合。桥梁支座作用重大，其使用性能会直接影响桥梁结构的安全性和耐久性。由于支座的老化、重车的长期作用、施工时支座垫石浇筑质量没有得到保证，再加上支座本身质量和安装也存在问题，造成支座受力不均，使支座发生不同程度的剪切变形、局部脱空甚至完全脱空。施工时部分混凝土和垃圾从铰缝处落到桥台盖梁和支座附近，严重的已经完全盖住了支座，无法判断支座的病害情况。

支座的缺失及脱空病害达不到原设计支座的正常传力性能，使临近支座反力增大，不利于支座及梁体的受力，直接影响结构的安全性及耐久性。支座剪切变形、鼓胀开裂使支座本身变形能力降低甚至失去了进一步的变形能力，使支座受力分配不均，并会直接或间接地影响主梁的正常工作性能，对于桥面连续、结构简支板梁桥，容易造成桥面板开裂现象。对于部分支座被混凝土和垃圾遮挡，可能在一定程度上限制了支座的变形，不利于支座的受力。

对于板式橡胶支座压塌、支座剪切变形过大、支座老化开裂、支座脱空和支座缺失等支座病害，需要对病害支座进行更换处治。支座是保证桥梁正常运用的关键部件，当其发生不能继续正常服役时，需要进行更换。对正在运营的桥梁进行支座的更换，需要采用一些更换的方法，在上世纪90年代末至21世纪初，少数空心板梁桥的部分支座出现上述病害，在支座更换过程中没有经验可以借鉴，支座更换效果没能达到预想的要求，并且在更换过程中对桥梁结构产生了一些不利的影响。所以，在空心板梁桥支座更换的过程中需要进行现场的施工监控来监督施工，以达到进行支座更换的预期效果，同时监控支座更换过程中桥梁结构的受力安全。

3 控制指标分析

根据空心板梁桥结构的受力特点与实际施工工序，采用大型通用有限元软件ANSYS建立了上部结构的空间有限元模型，对支座更换全过程进行仿真分析。由于全线空心板梁桥均为结构简支、桥面连续构造，在支座更换过程中要保证桥梁结构的受力安全，主要是要事先确定好梁体的顶升量值、不同步差异的允许量值及千斤顶顶升吨位的参考值，然后在施工过程中严格按照上述确定的指标进行现场控制，达到指导支座更换施工的目的。

空间有限元模型采用solid45实体单元，板梁、铰缝、整体化混凝土层分别设置不同的材料属性。因为桥梁宽度的不同，空心板梁横桥向有不同数量的板梁，采用整体顶升时，结构受力情况与横桥向板梁数量关系不大，所以模型采用横桥向12片板梁形式计算分析。全线空心板梁桥有四种不同跨径，10m、13m、16m和20m，而顶升只对顶升截面，即桥梁墩、台附近影响较大，对距离较远处影响非常小，故模型仅计算分析跨径为16m的情况。模型为结构简支、桥面连续的空心板梁桥，横桥向12片板梁，跨径为16m，整体化混凝土厚度10cm。梁体、铰缝、混凝土层三者采用共节点建立模型，支座采用节点约束。顶升梁体时，先解除要顶升的梁体约束，然后在千斤顶位置施加强迫位移，其它不需要顶升的板梁不改变其约束情况。

在桥台位置施加1mm的强迫位移，分析桥台附近铰缝横向受力情况，桥梁横向应力情况如图5所示。

在桥墩处同时给予相邻两跨梁体1mm的强迫位移，分析桥墩附近桥面连续处及铰缝的受力情况，应力情况如图6～7所示。

由以上应力云图分析可知，桥台处铰缝横向应力最大值为0.09Mpa，使铰缝出现附加应力，但是由于量值较小，对结构影响较小。即桥台位置处的整体顶升理论上对桥梁结构的影响非常小。而在桥墩位置顶升时，桥面连续处纵向应力最大值为0.98Mpa，铰缝横向弯拉应力最大值为0.19Mpa。在桥面连续处出现了较大的附加应力，在顶升时需要高度重视和控制。

空心板梁桥横桥向具有多片板梁，而每片板梁上各顶升点处的顶升力会有所不同，同时由于顶升设备自身精度等因素，在顶升过程中难免会出现横桥向不同步的情况，而此时两片板梁间铰缝的受力最为不利，则两片板梁间横桥向不同步允许量值指标的确定非常重要，故分别假定横桥向顶升出现1mm的差异和纵桥向顶升出现1mm的差异这两种工况，单独分析铰缝位置或桥面连续处的受力情况，如图8～9所示。

由分析结果可知，在顶升量高差为1mm时，梁体顶升的不同步对结构的影响较大。横桥向的不同步会在顶升点附近的铰缝处产生较大的横向附加拉应力，纵向不同步会在顶升点附近的桥面连续处产生很大的纵向附加拉应力，故在顶升过程中应严格控制横、纵向最大顶升高差。

通过理论计算分析及考虑施工上的要求，确定桥墩处的最大容许顶升高度为5mm；桥台处由于是伸缩缝情况，可以适当提高顶升量，但是考虑空心板梁支座更换一般不封闭桥面交通，顶升量过大会导致车辆在桥台处跳车现象，综合考虑桥梁结构安全和施工过程操作性和行车安全及舒适性，确定桥台处最大容许顶升高度亦为5mm。并且确定桥台、桥墩处横桥向顶升相邻板梁间最大高差与桥墩处纵向两排支座的最大顶升高差均不得超过0.5mm，以确保顶升过程中的结构受力安全。

4 现场监控

施工监控是在施工过程中保障结构受力安全、保证施工作业设备与人员的安全、从监控角度监督施工工艺流程与质量、促使施工完成后的实际构造和结构内力状态符合改造设计要求的必不可少的措施。监控单位指导和监督施工，辅助业主，配合解决施工质量控制过程中的关键技术问题，是质量保障体系中不可缺少的一环，在施工过程中提供相关技术服务咨询，在结构处于不利状态时及时预警，确保结构受力安全。

对同一墩处各片板梁一端进行位移同步顶升是一种较为理想、安全的顶升方案或者说仅是设计上提出的一种理想化的要求，而在实际顶升过程中，往往由于板梁重量分布不均、支反力与理论值差异较大等原因，导致同步顶升过程演化为不断顶升、不断调整实现同步的过程。因此，顶升过程中必然会遇到多次调整顶升位移、顶升力的情况。由于施工单位顶升设备的差异，顶升施工中如位移不同步的误差过大或调整不当，则容易导致裂缝病害，从而无法实现同步顶升。

因此，在同步顶升过程中需进行严密的监控，竖向顶升以位移控制为主，监控单位与施工单位所测得数据相互校核，共同保证顶升施工结构的安全。采用先进的顶升设备以及同步控制系统，通过施工过程中的自动调整，使得顶升过程中以及顶升完成后各顶升点的位移基本同步。

根据对空心板梁桥支座更换特点的分析，要对支座更换全过程进行施工监控，它包括对板梁的顶升、持荷、落梁监控工作，监控过程周期长、工作量大、难度高，在顶升、持荷、落梁的各个阶段，都对板梁的顶升点位移、混凝土应变等进行了全方位的监测。施工监控工作既保证了结构安全，又促使施工依照设计意图执行。施工监控的主要内容有：（1）板梁竖向位移监控；（2）板梁桥面连续处应力监控；（3）板梁铰缝处的监控。

空心板梁桥支座更换一般针对已运营多年的桥梁，桥梁结构的真实情况和受力情况已经不能很好保证，考虑在顶升过程中桥面连续处以及铰缝处可能会因各片板梁顶升位移或者横向不同步量值过大而开裂，故顶升高度不宜太高，能够满足旧支座顺利取出和新支座安装即可。

在施工过程中，要求顶升系统装置具备称重的能力，施工单位应具备良好的顶升设备和丰富的桥梁顶升施工实践经验。在支座更换顶升施工前就要进行施工前准备，在各墩、台顶升点附近设置电测位移计和百分表，实行顶升和落梁过程中对顶升位移进行全面监测。通过电测位移计和百分表的双重测量，监测顶升、落梁过程中板梁的竖向位移情况，严格控制每块板梁竖向位移以及各板梁之间的相对顶升位移高差，电测位移计及百分表的安装如图10所示。

桥面连续处的应变监测采用应变传感器对桥面连续混凝土纵向应变进行监测，为了真实监测桥面连续处的应力状况，应变传感器安装时，要在测点处挖除沥青混凝土桥面铺装，大小一般约为25cm（纵桥向）×10cm（横桥向），露出桥面连续处的浇层混凝土。

其中对某小桥左幅2#墩进行顶升的时候，在板梁顶升至3mm时，监控发现左幅2#墩第三跨第15片梁处的一个千斤顶油顶与梁体未接触，监控人员及时发出预警，停止顶升，并通知施工单位检查设备。检查后发现该处千斤顶的单向阀没有开启，油管无油压，导致该处的千斤顶无位移，从而引起旁边千斤顶受力不均。施工单位及时进行调整，然后重新进行顶升更换支座，最终达到预期的效果。

5 结束语

近几年，随着交通运输事业的发展，大吨位车辆和交通量的不断增加，公路桥梁所负载的运量和负荷不断的增长，桥梁支座受到的影响越来越大，由于一些自身的原因和外界因素的综合作用，导致桥梁支座出现不同程度的损伤和损毁。本文主要针对空心板梁桥支座出现病害后，需要进行更换处理，在对空心板梁支座进行顶升更换过程中提出施工监控，用以保证桥梁结构的受力安全和督促施工，从而达到支座更换的预期效果。其中要进行现场监控，需要事先确定要各项控制指标，以指导顶升施工。最后，通过实例工程的现场监控，表明空心板梁桥支座更换施工监控的重要性和必要性。

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