支座脱空对装配式箱梁桥受力性能的影响

毛 敏，申雁鹏

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

板式橡胶支座具有很多优点：如竖向承载力安全可靠，能适应桥梁上部结构的微小变形（角位移和线位移）；具有缓冲隔震作用；制造简单、价格经济、且施工安装方便等。因此在中小跨径桥梁中，板式橡胶支座的应用非常广泛。

目前，由于支座材质、施工、运营养护等各种因素的影响[1]，支座安装后质量得不到相应的保证，通车后2～3年甚至是还未通车桥梁就出现各种支座病害，进而对其支撑的主梁受力产生不利影响，加速梁体病害的产生，对桥梁正常运营带来一定的安全隐患。

近年来，通过对省内部分高速公路交工验收桥梁的调查发现，部分装配式梁桥刚通车不久出现了不同程度的支座病害。现场较典型的病害有：支座脱空、开裂、串位、偏压、剪切变形过大等。各种支座病害对主梁的影响见表1。

表1 支座病害对主梁影响

1 桥梁概况及计算模型

为了具体分析支座病害对桥梁受力性能影响，现采用Midas Civil有限元软件对省内某高速公路上主跨20 m的双幅分离式装配式箱梁桥进行有限元分析。结构参数如下：跨径组合5×20 m，单幅桥面宽度为0.5 m（防撞护栏）+11 m（桥面净宽）+0.5 m（防撞护栏），横向由4片1.2 m高的小箱梁构成，箱梁间中心距2.9 m，跨中横断面图见图1。全桥端支点设置滑动板式支座，中支点均为普通板式支座；设计荷载等级：公路-Ⅰ级。

图1 箱梁桥跨中横断面图（单位：mm）

有限元梁格模型见图2，主梁、横隔板及支点横梁均采用空间梁单元模拟，各主梁间连接采用无质量的虚拟梁单元模拟，湿接缝宽度计入箱梁主梁的翼缘宽度，全桥共划分455个单元。建模过程中做如下简化：实桥中单片箱梁每端设置的两个支座合用一个等效支座模拟（等效支座刚度取两个支座并联刚度），不考虑下部结构的影响。该模型沿纵向共设置 6 排支座，编号为 A、B、C、D、E、F，每排 4 个支座，其编号同主梁编号，如 A1、A2、A3、A4；支点横梁编号为 A、B、C、D、E、F。

图2 箱梁桥有限元模型及支座编号

建模过程中，为了验证梁格模型中横向传力特性的准确性，采取桥梁博士软件中横向分布计算模块与Midas软件综合对比，对比结果见表2。通过表2可以看出梁格建模时计算结果与桥梁博士计算结果吻合度较好。

表2 第三跨1号边梁跨中在集中力作用下的各片梁荷载分担比例 %

分析支座脱空对上部结构受力性能影响时考虑以下荷载：

a）永久作用荷载 包括结构自重、桥面铺装、防撞护栏、现浇湿接缝、横隔板、混凝土收缩徐变、预应力荷载。

b）可变作用荷载 包括汽车荷载、温度梯度、整体升降温。由于活载效应由两车道控制，所以计算时考虑两车道的偏载和正载，按影响线加载，并考虑汽车冲击效应。

2 计算结果及分析

考虑到实际工程中单支座脱空为常见病害，本文仅模拟单支座脱空效应。本节表中工况1代表两列车正载工况，工况2代表两列车偏载工况；其中支反力结果取标准组合[3]，剪力、弯矩结果取承载能力极限组合[3]。

2.1 单支座脱空对支反力影响

从表3可以看出，单支座脱空仅对同一排支座的支反力影响较明显，而对其他排支座几乎没有影响，主要原因是现浇湿接缝、横隔板、支点横梁的共同横向传力作用，削弱支座脱空对其他桥墩处支座支反力影响。

正载作用下边支座脱空时，同排相邻支座支反力最大值为原来的2.44倍，中支座脱空时，同排相邻支座反力最大值为原来的1.70倍；偏载作用下下边支座脱空时，同排相邻支座支反力最大值为原来的3.30倍，中支座脱空时，同排相邻支座反力最大值为原来的1.97倍。这也就能解释现场桥梁调查发现的支座病害现象，即当某一支座脱空时相邻支座的压缩变形较明显，且较易出现鼓包、环向裂缝。

表3 C排支座脱空后与脱空前支反力比值

2.2 单支座脱空对支点横梁的受力影响

支座脱空后，支撑其上的支点横梁边界条件发生改变，引起横梁内力重分布。计算分析表明支座脱空对支点横梁的受力影响范围仅限于支撑其上的支点横梁，且各排支座脱空对横梁的受力变化规律基本相同，表4仅给出了C排支座脱空前后C支点横梁内力极值变化比值（支座脱空前后内力极值位置发生变化，但由于实际设计图纸中支点横梁横桥向配筋无变化，所以横梁各截面抗力均相同，表4中仅列出极值变化比值更有意义）。

从表4可以看出，支座脱空后/前最大剪力比值达到3.54倍，最大弯矩比值达到12.27倍，最小负弯矩比值达到12.31倍。这也就能解释现场桥梁调查发现的横梁病害，即部分支座脱空处支点横梁出现贯通斜向裂缝。

表4 C排支座脱空后与脱空前C支点横梁内力极值比值

2.3 单支座脱空对支点主梁的受力影响

由于现浇湿接缝、横隔板、支点横梁的共同横向传力作用，支座脱空对支点主梁受力影响区域主要在脱空支座附近。表5仅列出C排支座脱空后与脱空前相应断面主梁内力比值。

从表5可以看出支座脱空主要影响该支座对应主梁和相邻主梁支点断面受力，其中边支座脱空对主梁影响最大，C1支座脱空时导致C2处主梁内力显著变化；正载作用下支座脱空后/前最大剪力比值达到1.40倍，最小负弯矩比值达到1.30倍；偏载作用下支座脱空后/前最大剪力比值达到1.64倍，最小负弯矩比值达到1.47倍。

表5 C排支座脱空后与脱空前主梁内力比值

3 结语

a）单支座脱空仅对同一排支座的支反力影响较明显，而对其他排支座几乎没有影响。

b）单支座脱空对相邻支座受力影响最大，偏载作用下下边支座脱空时，同排相邻支座支反力最大值为原来的3.30倍。

c）支座脱空对支座位置支点横梁内力影响显著，支座脱空后/前最大剪力比值达到3.54倍，最大弯矩比值达到12.27倍，最小负弯矩比值达到12.31倍。

d）支座脱空对支点主梁受力影响区域主要在脱空支座附近。边支座脱空对主梁影响最大，偏载作用下支座脱空后/前最大剪力比值达到1.64倍，最小负弯矩比值达到1.47倍。

支座脱空在桥梁施工过程中经常发生，并且往往没有受到足够的重视，导致脱空支座不进行处治就直接通车运营。为了保证桥梁结构的安全运营，避免个别支座脱空导致其他支座压溃失效等连锁反应的发生，建议设计单位适当提高支座安全系数；建议施工单位、监理单位加强支座安装、主梁架设过程中的管理，确保支座工作正常；建议新建桥梁交付使用前均进行支座状态检查，脱空支座必须全部处治确保工作正常后才能交付使用。