板式橡胶支座病害对桥梁结构的影响

周 伟，李 灿，于帅琦，王 鹏

（北京市建设工程质量第三检测所有限责任公司，北京 100037）

0 引言

根据调查资料显示，由于橡胶支座具有结构相对简单、性能可靠、承载能力强、便于施工等特点，在各种结构形式的桥梁中得到广泛应用。橡胶支座在正常的使用过程中，因受各种因素的影响而逐渐出现脱空、老化开裂、剪切变形、破损等病害。当支座出现病害后，不但会影响桥梁结构的受力分布，甚至会影响桥梁的安全运营。本文主要以板式橡胶支座为例，分析支座病害对桥梁结构的影响。

1 桥梁支座病害检测技术及评定方法

1.1 桥梁支座常见病害

通过全国多座桥梁现场检测工作的总结归纳，结合收集到的国内外参考文献资料，对板式橡胶支座常见病害进行汇总，典型病害照片如图1～5 所示。

图1 支座老化开裂

图2 支座鼓包破坏

图3 支座脱空

图4 支座串动

图5 支座剪切变形

1.2 桥梁支座病害评定标准

桥梁支座的病害普遍存在于城市桥梁，视病害种类及严重程度，处理修复措施也不尽相同。轻微损伤对桥梁影响较小，可不必马上进行处理，暂时进行重点观察即可，而有些病害影响桥梁受力传导或承载能力，为保证桥梁安全运营，需立即进行专项维修。对不同种类及程度的病害对应的处理措施，就需要定性分析。DB32/T 2172－2012《公路桥梁橡胶支座病害评定技术标准》已经为公路桥梁给出了这方面的评定标准，对桥梁橡胶支座病害作了如下分级。

支座 1 级病害:进行适当的防护处理，控制病害发展后可正常使用，属于轻度病害［1-4］。

支座 2 级病害:已对支座使用功能产生影响，对于这类支座病害应进行加强防护处理或者修复并定期观察。严格控制病害发展后仍可使用，属于中度病害。

支座 3 级病害:支座已部分或者完全丧失使用功能，必须立即更换，属于重度病害。

2 支座病害对桥梁的影响

支座病害对桥梁结构内力的影响主要体现在两部分。①不能正常地完成传递荷载的作用，导致桥梁内力增加；②支座不能满足桥梁结构正常位移的要求，导致桥梁结构受力形式发生变化，内力增加。

下面通过 Midas 软件进行建模，分别模拟简支梁桥和连续梁桥支座出现病害后，分析对桥梁上部结构产生的影响。

2.1 支座病害对简支梁桥内力的影响

为了更好地研究或分析板式橡胶支座病害对桥梁结构的影响，拟以一座简支梁桥为例，分析其对内力的影响。根据工程实例使用 Midas，建立一个跨径为 29.7 m，横向布置 5 片 T 梁的简支梁模型。主梁结构为预应力的钢筋混凝土 T 梁，支点截面及跨中截面尺寸如图6 所示。建立简支梁模型如图7 所示。

图6 截面尺寸示意图（单位：m）

图7 简支梁模型

针对桥梁支座病害对主梁内力及变形的影响，通过改变支座连接属性来模拟支座病害，从而分析出支座病害对主梁的影响。

通过 Midas 分析，可以得到主梁在正常情况下的受力以及变形情况。桥梁支座所受反力情况如图8 所示，桥梁的内力弯矩图如图9 所示，变形情况如图10所示。

图8 桥梁反力示意图

图9 桥梁弯矩图

图10 变形情况示意图

当桥梁中的部分支座出现脱空时，会丧失部分工作性能，甚至会丧失全部的工作性能，必定会对桥梁结构的整体工作性能产生一定的影响。在如下的分析中，假定支座出现完全脱空，计算主梁结构受到的影响。

模拟工况:2 号梁和 4 号梁的左侧支座完全脱空。

通过 Midas 分析支座反力、内力弯矩的大小和桥梁变形情况，支座反力如表1 所示，弯矩内力汇总于表2，桥梁变形情况汇总如表3 所示。

表1 桥梁支座反力汇总表

表2 桥梁弯矩内力汇总表

表3 桥梁变形情况汇总表

通过对数据的分析，对于简支梁，当桥梁支座发生脱空时，无论是对桥梁结构的内力还是桥梁的变形都会有很大的影响，具体的分析结果如下。

①1 号梁的左侧支点 X 方向反力增加了 26 %，Z 方向反力增加了 49.8 %（217.3 kN）；左侧的弯矩内力增加了 53.8 %（71.4 kN·m），其他内力及变形没有太大的变化；②2 号梁的左侧支点处的弯矩内力由以前的139.9 kN·m 变为-1.9 kN·m，变化量为以前的 101.3 %；右侧支点处 X 方向反力减小 24.5 %，其他内力和变形没有明显变化；③3号梁的左侧支点处 Z 方向反力增加量高达 478 kN，变化量为以前的 103.3 %；左侧弯矩内力由正常情况下的 142.1 kN·m 增长到 304.8 kN·m，变化量为以前的 114.5 %，右侧支点Z方向反力增加了 45.1 %（209.4 kN）；④4 号梁及 5 号梁分别与 2 号梁及 1 号梁的受力以及影响情况基本相同，不做过多的分析。

通过数据的分析可以发现，当简支梁桥部分支座完全脱空时，首先会导致发生病害处的梁端弯矩发生大幅度的变化，使桥梁结构处于一种不利的受力状态，加速桥梁的破坏。其次，导致其相邻梁支座处的弯矩和Z方向反力大幅度增长，这样会导致这个支座由于受压过大发生开裂、外鼓等病害，最终影响桥梁的结构安全。同时，由于当 2 号梁及 4 号梁同侧支座均完全脱空，3 号梁左侧支点 Z 方向的反力和弯矩的增加量为两片梁异侧发生病害时的两倍，由此可以发现支座病害对桥梁结构内力的影响存在叠加的现象。因此，如果不能对支座病害及时地采取相应的维修措施，会导致与其相邻的梁体结构在不利的受力情况下迅速发生破坏，甚至影响桥梁的结构安全。

2.2 支座病害对连续梁桥内力的影响

对于连续梁桥，同样利用 Midas 建立一座 30 m×2 跨的连续梁，横向布置 5 片 T 梁的模型。建立简支梁模型如图11 所示。

同样通过改变支座连接属性来模拟支座病害，从而分析出支座病害对主梁的影响。

通过 Midas 建模分析可以得到在正常受力情况下，桥梁支座所受反力情况如图12 所示，桥梁的内力弯矩如图13 所示，变形情况如图14 所示。

图12 连续桥梁反力示意图

图13 连续桥梁弯矩图

图14 连续变形情况示意图

模拟工况:当第 1 跨 3 号梁的左右两个支座均完全脱空。

通过 Midas 分析支座反力、内力弯矩的大小和桥梁变形情况，支座反力如表4 所示，弯矩内力如表5 所示，桥梁变形情况如表6 所示。

表4 桥梁支座反力汇总表

表5 桥梁弯矩内力汇总表

表6 桥梁变形情况汇总表

通过对连续梁的 Midas 建模数据分析，可以看出当连续梁的第 1 跨的 3 号梁的两个支座完全脱空时，对连续梁的内力和变形都会有很大的影响。具体的分析结果如下。

①首先会导致与其同跨的相邻梁的竖向支反力的增加，与其距离较近的 2 号梁及 4 号梁的左侧支点竖向支反力分别增加了 40.8 kN 和 50.7 kN，右侧支点的竖向支反力分别增加了 62.5 kN 和 72.9 kN；而与其距离较远的 1 号梁及 5 号梁的左侧支点竖向支反力分别增加了 22.6 kN 及 28.2 kN，右侧支点的竖向支反力分别增加了 36.4 kN 和 38 kN；而对于与其相邻跨的支座反力几乎没有影响；由此可以看出，连续梁的支座脱空病害，会导致与其相邻支座的竖向支反力的增加，且影响随距离的增加而减小，而对于相邻跨的支座反力几乎没有影响；②对于桥梁结构的弯矩内力，当支座出现脱空病害后会导致连续梁中间支点处的弯矩值的变化，两边跨中间支点处的弯矩值增加了 74.5 kN·m，而 2 号梁及 4 号梁中间支点处的弯矩值减小了 29 kN·m，3 号梁的中间支点处的弯矩减小了 143 kN·m；内力的变化会影响到桥梁结构的受力状态，对桥梁的正常工作会产生很大的影响；③弯矩内力最大的影响在于发生支座病害处的横隔梁会由以前的不受力状态变为 343.3 kN·m 的弯矩，这非常容易引起横隔梁的破坏，最终影响桥梁的正常使用；连续梁的支座脱空病害对桥梁的变形未见明显影响。

2.3 支座病害对桥梁影响的特点

通过 Midas 对连续梁及简支梁的建模分析，支座病害对桥梁结构的受力影响存在以下几个特点。

1）当梁体支座发生脱空病害时，会导致与其相邻梁体支座处的弯矩和反力大幅度增长，这样会导致支座由于受压过大发生开裂、外鼓等病害。同时由于梁体结构的弯矩大幅度增加，会导致梁体结构出现开裂、变形等病害影响桥梁的安全运营。

2）当梁体支座发生脱空病害时，会导致发生病害处的梁端弯矩不但发生数值大小的变化，而且会改变弯矩作用的方向。此时桥梁结构会处于一种不利的受力状态下，加速桥梁的破坏。

3）支座病害对相邻梁体结构的影响随距离的增加有所减小。

4）支座病害对桥梁结构内力的影响存在叠加的现象。

5）支座病害会导致与其相邻支点处的弯矩内力增加，而且存在叠加的现象。

3 结语

综合建模分析，结合实际检测结果及国内外参考文献资料，可以看出严重的桥梁支座病害无论是对桥梁结构的内力，还是对桥梁结构的变形都会产生一定的不利影响。

当桥梁支座发生严重病害后，会导致桥梁结构的内力重分布，因此会产生许多不利荷载，使得桥梁的整体结构的受力状态发生变化，甚至会导致桥梁的破坏。而桥梁的破坏体现在支座和梁体两个方面，首先，由于梁体支点处的反力大幅增加，会使处于正常工作状态下的支座由于荷载过大或受不利荷载的影响，发生破坏；其次，由于支座病害会导致梁体结构受力状态的改变，甚至会将正常工作中受正弯矩的梁体转为负弯矩作用，这样会加速梁体结构的破坏，严重情况下会影响桥梁的安全运营。