基于监测数据的新型抗爬移支座性能研究

翟洪刚

(杭州交通投资建设管理集团有限公司,浙江 杭州 310024)

随着交通建设的快速发展,曲线梁桥成为在城市有限空间内提高道路通行能力和公路交通枢纽的必然选择。然而,因曲线梁桥复杂的受力特性,极易在荷载及施工误差影响下产生爬移趋势,当桥梁支承形式不合理或约束不足时,就会发生爬移病害。如果病害未及时被发现并纠偏,爬移量产生累积,会成为桥梁其他破坏模式的直接及主要诱因,严重则造成桥梁倾覆破坏,对公共安全造成极大威胁。针对曲线梁桥爬移模式、成因及影响因素的相关研究,目前尚未得出有共识的结论。很多学者[1-9]结合案例调研与数值模拟,综合分析得出温度作用是曲线梁桥径向爬移的最关键因素,同时指出实际工程中混凝土箱梁的竖向温度梯度分布要大于《钢—混凝土组合桥梁设计规范》(GB 50917—2013)中的有关规定,如果设计阶段未考虑此影响,那么将会增加爬移病害发生的风险。同时也有研究[10-12]发现汽车荷载是引发曲线梁爬移的重要因素之一。汽车荷载包括竖向荷载、离心力和制动力。竖向荷载主要引起曲线梁的偏载,产生扭矩;离心力容易使梁体产生径向水平位移;制动力容易使梁体产生切向水平位移。

针对曲线梁桥爬移病害,国内外学者[13-21]在设计和施工等方面提出多种预防与处置措施,例如增设横隔板、加设侧向弹性支承、增大抗扭支座间距、优化支座形式以及布设支座预偏心等方法来优化曲线梁桥的受力状态。笔者在已有的曲线梁桥爬移倾覆相关研究的基础上,进行了大量案例桥调研分析,提出了“柔性”的新型支座结构爬移病害解决方案,并应用于依托工程中,采用位移传感器实时监测桥梁位移变化情况,系统验证了其使用性能。

1 工程概况

新型抗爬移倾覆专用支座应用案例桥为南浔大桥D匝道桥第二联。基于《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)中双向六车道一级公路技术标准,兼顾城市道路功能,设计速度60 km/h。

D匝道桥第二联曲率半径为50 m,上部结构为3 m×16 m普通钢筋混凝土箱梁,原设计支座布置如图1所示,立面图如图2所示,施工现场如图3所示。图1中:GPZ(Gummi-Potz-Zylinder)为由橡胶和钢材构成的一种支座类型。

图1 支座平面布置图Fig.1 Layout plan of support

图2 南浔大桥D匝道第二联立面图(单位:cm)Fig.2 Elevation of D ramp of Nanxun Bridge (unit: cm)

图3 南浔大桥D匝道施工现场图Fig.3 Construction site drawing of D ramp of Nanxun Bridge

2 新型弯桥支座结构及布置方案

曲线梁桥因其特殊的结构形式与易发生爬移的特性,对桥梁支座结构及布置形式设计有更高的要求。基于曲线梁桥的典型爬移模式与爬移机理研究发现,通过释放各类荷载引起的曲线梁桥积蓄的变形势能,即可控制梁体发生爬移。

基于常用的传统支座应用研究,为防止多次爬移产生的变形叠加,提出新型双曲滑动面自复位支座及其系统布置,利用自重减耗因升温或离心力产生的水平位移,在降温或卸荷时通过自重使箱梁复位。这种设计可极大降低桥梁爬移事故的可能性,并将成果应用于实际案例工程。

2.1 新型弯桥支座布置方案研究

结合新型抗爬移倾覆专用支座的结构特点,考虑不同类型支座专用性能的充分发挥,确定了支座布置方案如图4所示。图4中:箭头和弹簧分别表示可爬移的方向和自复位的方向;点表示支座结构可以起到抵抗拉力作用;①为固定支座;②为微量位移固定支座;③为横向自复位支座;④为纵向平动横向自复位拉压支座。以笔者案例桥三跨为例,由于变形体和刚体转动的双重作用是箱梁倾覆的横向大转动的重要成因,因此新型弯桥抗爬移支座布置方式需要系统控制上部结构变形体转动、刚体转动与平动。弯桥发生横向爬移后的复位由自复位支座完成,箱梁横向转动趋势造成的支座拉反力由拉压支座控制,达到弯桥支座布置分类控制曲线梁桥的变形与位移的工程目的,为曲线梁桥优化倾覆承载力和抗爬移性能提供经济有效的工程方案。横向自复位支座的原理是通过自重减耗因升温或离心力产生的水平位移,在降温度或卸载时通过自重使箱梁复位,防止多次爬移产生的变形叠加。此设计方案最大限度地减少了爬移引起桥梁事故的可能性。

图4 新型弯桥支座布置方式Fig.4 New type of bent bridge support arrangement

2.2 新型弯桥支座结构类型

图4中的①固定支座和②微量位移固定支座,设计位移量:顺桥向±3 mm,横桥向±3 mm,设计竖向承载力3 500 kN。固定支座和微量位移固定支座如图5所示。固定支座和微量位移固定支座自上而下依次由上支座板叠、球冠衬板以及下支座板叠合而成,上支座板与梁体、下支座板与墩台,均采用锚固件进行连接,球冠衬板与下支座板以曲面形式相契合。为保证上、下支座板不发生相对移动,上支座板四周边缘增设向下延伸的挡板,紧扣下支座板。微量位移固定支座在增加了约束刚度的同时,留有了一定横向变形量,适应了正常的温度变形。

图5 微量位移固定支座Fig.5 Micro displacement fixed support

图4中的③横向自复位支座,根据球型支座进行改进,在爬移量积累后,该支座能够通过箱梁的自重使其在横桥向复位,从而避免主梁的爬移积累,纵桥向通过支座结构设计使其可以自由平动,设计位移量:顺桥向±100 mm;横桥向±50 mm;极限爬升高度4.5 mm,设计竖向承载力3 500 kN,横向水平恢复力420 kN,水平限位力700 kN,如图6所示。

图6 横向自复位支座Fig.6 Transverse self reset support

横向自复位支座自上而下由上支座板、中间衬板、球冠衬板和下支座板叠合而成,上支座板与梁体、下支座板与墩台,均采用锚固件进行连接,为保证上支座板与中间衬板不发生相对横向移动,下支座板纵向两侧边缘增设向上延伸的挡板,以紧扣球冠衬板。微量位移固定支座在增加了约束刚度的同时,留有了一定横向变形量,适应了正常的温度变形。球冠衬板和下支座板以曲面形式相契合,且下支座板横向相应位置布置的限位块可限制球冠衬板的横向爬移量;球冠衬板和中间衬板以曲面形式相契合,该曲面的曲率半径R2要略小于球冠衬板和下支座板接触面的曲率半径R1。

下支座板和球冠衬板在温度效应或车辆离心力等作用下发生滑移后,支座将在重力作用下实现自复位,同时横向由于是曲面,因此可以通过摩阻减耗更多爬移产生的能量,当卸载或降温后可以使箱梁爬移量复原。中间衬板和球冠衬板的接触面也为曲面,其曲率半径较小,且采用高摩擦系数的四氟板,因此上下座板会和中间部分先发生爬移或平动,球冠衬板与中间衬板的球型接触用于减轻偶然发生的地震作用影响。

图4中④号自复位拉压支座使用楔面滑动面实现横向复位,在此基础上,先增添拉杆,使其同时具有抵抗支座拉反力的功能,再根据横桥向是否可以爬移设计其支座构造进行控制,设计位移量:顺桥向±100 mm,横桥向爬升位移50 mm,爬升高度5 mm。设计竖向承载力2 000 kN,抗拉力400 kN,水平限位力450 kN,横向爬移启动力260 kN,如图7所示。

图7 纵向平动横向自复位拉压支座Fig.7 Longitudinal translation transverse self reset tension compression bearing

纵向平移横向自复位拉压支座自上而下依次由上支座板(含纵向抗拉块)、球冠衬板、拉杆、中间钢板、横向抗拉块和下支座板构成,梁体和上支座板、墩台和下支座板,均采用锚固件进行连接。中间钢板和下支座板以楔面相接触,为保证上支座板与球冠衬板不发生相对移动,上支座板横向两侧延设抗拉挡块,挡块通过螺栓与上支座板固接从而紧扣球冠衬板,支座中间位置延设拉杆以对接中间钢板与球冠衬板,下支座板纵向两侧延设抗拉挡块,挡块通过螺栓和下支座板固接从而紧扣中间钢板。

3 新型支座案例桥爬移监测

3.1 南浔大桥D匝道监测方案

图8 5墩、8墩新型支座应用现场图Fig.8 Application site diagram of new bearing for pier 5 and 8

图9 7墩新型支座应用现场图Fig.9 Application site diagram of new bearing for pier 7

表1 南浔大桥D匝道支座爬移长期监测内容

图11 位移传感器现场安装图Fig.11 Site installation drawing

3.2 监测数据分析与评价

在新型抗爬移倾覆专用支座安装到南浔大桥D匝道桥后,于大桥通车前将爬移监测系统装置安装到指定测点位置,并进行实时监测。在监测过程中,数据显示传感器运行正常,并确保了在大桥通车后能够保持长期监测。监测系统由照明路灯线路供电,已实现全天24 h监测。

3.2.1 长期位移监测数据

图12 7墩每小时纵向位移平均值与每日最高气温变化对比图Fig.12 Comparison of hourly average longitudinal displacement and maximum air temperature of 7

图13 7墩每小时横向位移平均值与每日最高气温变化对比图Fig.13 Comparison of hourly average lateral displacement and maximum air temperature variation of 7

3.2.2 短期位移监测数据

图14 7墩短期横向位移与气温变化对比图Fig.14 Comparison of lateral displacement and air temperature change of 7

由图14可更直接地得出规律:自复位支座的横向爬移值与气温高度相关,与温度循环相对应,存在着明显的横向爬移量循环,表明新型支座横向爬移量通过弹性结构得到有效控制,横向位移随时间可内、外多向复位,自复位支座复位效果良好。

3.2.3 自复位拉压支座与普通支座爬移对比图

因为安装位移传感器时现场安装条件限制,无法布设横向传感器,所以用纵向位移监测代替。由于曲线梁桥横向位移、纵向位移具有耦合效应,横向自复位能力会影响纵向爬移表现,因此通过纵向位移监测数据也可以评价新旧不同支座的使用性能。

图15 新老支座爬移对比图Fig.15 Comparison of new and old bearing creepage

由图15可以看出:新型自复位支座的纵向位移数据更加稳定,不论是长期数据的总体走向,还是短期内的数据波动,都更加平稳。而采用旧型支座的桥梁第一联纵向爬移波动明显,有多处明显突变位置,位移适应性能较差。这验证了采用新型自复位支座及其布置形式的桥梁整体位移性能更优。

4 结 论

采用梁桥爬移监测与数据采集系统,对新型抗爬移倾覆专用支座应用案例桥南浔大桥D匝道桥进行了实时监测,从长期监测、短期监测、不同方向爬移量以及当地气温变化等方面进行了整理分析,可得出以下结论:1) 新型抗爬移倾覆支座可通过自重消耗因温度升高或离心力产生的水平位移,在温度降低或载荷消失时通过重力使箱梁复位,防止多次爬移产生的变形叠加。用“柔性”的方法,而非单一加强约束强度,提供了曲线梁桥爬移病害的一种结构性预防方案。2) 横、纵向爬移与当地气温变化高度相关,验证了温度效应是引起曲线梁桥爬移的重要原因。横、纵向爬移量都有明显的复位历程,自复位能力良好,相较于旧型支座各案例,其爬移波动更加平稳、有规律,具有更高的稳定性,验证了新型支座的设计合理性及使用性能,证明了其消耗变形能、抵抗变形体变形的能力。