坡度自适应球型支座在桥梁高墩纠偏中应用效果研究

杜海鑫

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

近几年，辽宁省山区高速公路多座大纵坡T梁桥出现了桥墩墩顶纵向偏位、墩底开裂、支座滑移失效等病害。针对这类典型病害[1-5]，普遍认为是支座安装不水平导致的，上部结构恒载、活载和温度荷载等作用在不水平支座上，造成或加剧桥墩偏位。为此，要从根本上解决这一系列问题，需研究病害产生的机理，从而改善桥墩受力状态，确保桥梁运营安全。

1 桥墩墩顶偏移病害产生的原因

1.1 理论分析

在初始情况下，T梁架设完成后，如果梁底支座钢板不在水平状态，则上部结构通过支座向盖梁传递的支反力G可分解为一个垂直于滑面的法相力Gcosθ和平行于滑面的切向力Gsinθ，此时的切向力一般小于支座的滑动静摩擦力，支座滑动面不滑动，不存在水平外力，详见图1初始状态。

当整体升温时，上部结构由于温度上升产生体积膨胀，在简支端伸缩缝处相邻的两个梁端出现相互靠近趋势，当由于升温在支座处水平力Hw与Gsinθ的合力小于滑动静摩擦力μGcosθ时，两个支座均不滑动，结构仅发生弹性变形。盖梁中产生的水平抗力为Hd=(Hw2-Hw1)cosθ，随着温度升高，上坡端支座首先滑动，下坡端支座后滑动，此时

Hw2=μG2cosθ+G2sinθ

Hw1=μG1cosθ-G1sinθ

则Hd=[μ(G2-G1)cosθ+(G1+G2)sinθ]cosθ

一般情况下G1=G2，则Hd=2G1sinθcosθ，表明桥墩受到向上坡方向的水平推力。同理，整体降温时，也可得出以上结论。

1.2 有限元分析

采用有限元程序设置滞后系统方式模拟滑动支座的力学特性，并通过非线性时程函数模拟上部结构整体升温降温循环。如图2、图3所示，计算结果较直观地反应出设置了倾斜支座的桥墩无论是在升温还是降温状态下均发生了向上坡端位移的情况，这与理论分析一致。

图1 盖梁受力状态示意

图2 整体升温状态

图3 整体降温状态

综上所述，如果支座安装不水平，则无论升温还是降温，墩顶均会发生向上坡方向的位移。同时，梁体伸长或缩短时，支座上钢板端部很容易滑入四氟滑板内，造成四氟滑板的滑动面出现局部压槽，导致上钢板卡在压槽内，失去正常滑动功能，上钢板只能单向滑动，不能回复滑动，周而复始，导致墩顶向上坡方向位移逐渐累加，引发桥墩偏移病害。

2 坡度自适应球形支座设计理念

为解决现役T梁梁底支座安装不水平的问题，从支座结构设计出发，如图4所示，与传统球形支座不同，创新性地提出将支座球面朝上的设计理念。即水平钢板、球冠衬板的平面朝向墩台方向，支座产生位移时水平钢板不动，支座上座板和球冠衬板随梁体的位移而位移，支座转角随着墩台和梁板之间的夹角而产生，水平钢板的水平度靠墩台平整度产生。因为球冠衬板随位移产生移动，所以支点是变化的，因而不产生力矩，不影响支座承载力和位移。

图4 支座设计示意图

总体上，坡度自适应球型钢支座水平钢板放置在墩台上，优点在于：

(1)采用加大曲率的球面来适应梁底坡度不平，桥梁纵坡不大于4%的情况下无须设置楔形垫板，减小用楔形钢板带来的水平度误差，安装方便快捷。

(2)墩台水平度施工方便，水平度得以有效控制，支座水平钢板与墩台表面接触良好，降低施工难度。

(3)在下支座钢板两个方向上均增设了水平液位计，方便施工和后期检查维护。

(4)安装后增设防尘罩，有效保护支座免受环境污染，增强支座耐久性。

3 桥梁高墩纠偏效果分析

3.1 高墩竖直度变化分析

对存在上述病害的桥梁高墩进行纠偏施工，并更换为坡度自适应球型支座，一定时间段后对高墩竖直度进行复测，通过施工前后的对比分析，判定高墩竖直度纠偏的效果。合计统计了15座高速桥梁共95个墩柱相关数据。经分析可将高墩纠偏前后系统地分为以下7种状态，如图5所示，①、②、③分别表示墩柱的初始竖直度、纠偏施工后竖直度和复测竖直度，虚线表示墩柱的理论设计轴线。状态1表示对桥墩初始竖直度偏差进行一定量值的纠正，纠偏后竖直度偏差与初始偏差同向，复测时竖直度偏差有所增加，即桥墩轴线偏离设计轴线，但未超过初始偏差；状态2表示对桥墩初始竖直度偏差进行较大量值的纠正，纠偏后竖直度偏差与初始偏差反向，复测时竖直度偏差有所减小，即桥墩轴线趋于设计轴线；状态3表示对桥墩初始竖直度偏差进行一定量值的纠正，纠偏后竖直度偏差与初始偏差同向，复测时竖直度偏差有所减小，即桥墩轴线趋于设计轴线；同理，其他几个状态见图5。

理论上来讲，状态2和状态3最为理想，纠偏后墩柱线形趋于设计轴线，说明纠偏效果显著；状态5

图5 墩柱纠偏前后状态

最为不利，纠偏后墩柱线形越发偏离设计轴线，墩柱竖直度未得到改善，产生这一问题的主要原因是施工顺序不对或纠偏措施不当导致墩柱竖直度偏差加剧，这一状态是纠偏施工中应当避免的情况。

从图6(a)统计结果可以看出，纠偏施工后约90%的桥墩处于状态1、状态2和状态3，其中状态1比重最大，约为62%，这说明大部分墩柱纠偏后偏差度有一定量值的回复。定义高墩竖直度改善率=(①-③)/①，剔除状态5后(状态5对应的墩柱竖直度未得到改善)，如图6(b)统计可以看出，约67%的墩柱改善率达到40%以上，基本达到了墩柱纠偏施工的目的。状态1的改善率大部分在40%～60%，状态2、状态3的改善率达到80%～100%范围内居多，这也再次说明状态2、状态3的纠偏效果较为显著。

图6 高墩状态及竖直度改善率统计

通过以上数据分析可以看出，通过桥墩纠偏施工并更换新支座后，大部分桥墩出现了不同程度的复位现象，个别桥墩的复位值达到纠偏值的70%以上。经分析产生复位的原因主要归结为以下几方面：

(1) 纠偏施工只能恢复桥墩部分弹性变形，若桥墩在纠偏前已出现塑性变形，该部分变形无法恢复。

(2) 个别桥墩由于施工质量控制不得当，导致施工期间即出现了竖直度问题，即存在“先天缺陷”，无法通过纠偏施工恢复桥墩竖直度。

(3) 既有桥梁桥墩出现竖直度偏差，说明纠偏前桥墩及对应位置的上部结构即处于一种自平衡状态，人为纠偏后，仅是调整了墩身本身的位置，未达到平衡状态，纠偏后桥墩会有一定的复位。

3.2 支座变化情况分析

在检测墩柱竖直度过程中，也对新更换的支座进行了调查。从现场调查可以发现，大部分新支座防尘罩依然完好，少部分防尘罩破损，支座本身未见明显的损坏和较大的纵向滑移；支座两侧水平液位计中气泡基本处于中间位置。总体上来说，坡度自适应球型支座应用效果较好，可以自动调节、适应既有T梁的梁底坡度，可在很大程度上释放由于支座安装不水平导致的墩顶向上坡方向的水平推力。

4 结论

通过理论计算和有限元分析阐述了高墩、大纵坡T梁桥墩顶纵向偏移问题产生的机理，即梁底支座安装不水平导致墩顶产生向上坡方向的水平推力，为解决这一问题，提出了坡度自适应球型支座设计理念。通过跟踪测量与分析表明，桥墩纠偏施工配合更换该球型支座，可有效释放由于支座安装不水平导致的墩顶水平推力，进而减小桥墩竖直度偏差，改善桥墩受力状态。在高墩纠偏以及大纵坡高墩桥梁新建中该支座有较大的应用前景。