连续梁桥交接墩严重偏移病害原因研究

田世清，王俊新，石庆凡

(重庆桥都桥梁技术有限公司，重庆 400015)

连续梁桥交接墩严重偏移病害原因研究

田世清，王俊新，石庆凡

(重庆桥都桥梁技术有限公司，重庆 400015)

以盆式橡胶支座安装缺陷和墩柱偏移病害调查结果为依据，对施工现场39座桥梁，130个桥墩(台)，1 268个支座的数据进行分析，并对部分损坏支座进行解剖分析，揭示了连续梁桥交接墩严重偏移病害的原因。分析表明：支座支撑面安装不水平、支座顶板与支座中心位置安装存在较大偏离和温差变化时梁体伸缩产生的力的共同作用下，连续梁桥交接墩容易出现偏移破坏。

桥梁工程；连续梁桥；交接墩；严重偏移；病害原因

重庆市石忠、彭武、渝邻等高速公路较多连续梁桥交接墩先后出现向上坡方向严重偏移，最严重的偏移量达到45 cm，梁体几乎掉落在盖梁上。同时地面附近桥墩根部混凝土出现大量环向裂缝，对应桥墩上的支座严重超限滑移、剪切破坏。不少学者、工程师们也先后发表了多篇关于此类病害原因分析[1]的著述，但鲜有对病害原因的深度研究。笔者通过深入的病害调查及试验研究，对交接墩实际偏移量远远大于支座支撑面不水平时桥梁上部荷载形成的水平分力对其推动产生的偏移量进行了深入研究，以期弄清病害原因。

1 支座安装缺陷调查

1.1 支座未按照设计位置安装

1)横桥向支座中心未在一条直线上，有的靠前，有的靠后，每个支座间的间距也不均匀，如图1。

图1 支座实际安装位置Fig.1 Actual installation location of support

2)支座顶板中心与支座中心偏离(温度调整一般在纵向考虑,但调整量会有规律性,同排一般一样)，在纵向或横向上，使支座出现偏压。这两种情况对支座的影响综合表现为支座顶板中心与支座中心不重合，改变了支座允许滑移量。经统计，这种缺陷最严重的同排支座偏离值达到100 mm。如图2、图3。

图2 支座顶板中心与支座中心偏离Fig.2 Deviation of support roof center and bearing center

图3 活动盆式橡胶支座实际安装Fig.3 Actual installation of movable basin rubber support

1.2 支座顶板安装不水平

支座顶板安装成与梁体纵坡基本一致(因为梁底预埋钢板安装成与梁体纵坡基本一致，未进行调平处理)，支座滑动面也处于不水平状态。

1.3 支座底板安装不水平

由于支座垫石表面不水平，支座安装时又未进行调平处理，直接将支座放置在垫石上，导致支座底板不水平。支座底板不水平，导致聚四氟乙烯板也不水平。

1.4 支座破坏调查

1)支座破坏主要表现为超限滑移、聚四氟乙烯板外露并破坏，现状如图4。

图4 支座超限滑移及聚四氟乙烯板外露现状照Fig.4 Transfinite slip of support and exposure of teflon plate graph

2)破坏的支座解剖[2]后，发现盆式橡胶支座顶板不锈钢冷轧钢板、橡胶板和聚四氟乙烯板被严重破坏，尤其聚四氟乙烯板被推挤成无数个约6 mm厚以内的褶皱或压埂，如图5。

图5 破损支座解剖Fig.5 Anatomic images of the damaged support

2 支座滑动及破坏过程研究

支座的滑动及破坏过程可化分为4个阶段，分别是正常滑动阶段、轻微破坏阶段、严重破坏阶段和不锈钢冷轧钢板破坏阶段。

2.1 正常滑动阶段

从活动盆式橡胶支座的结构可以看出，支座顶板首先沿着滑动面自由滑动，直到不锈钢冷轧钢板边缘刚好滑移至聚四氟乙烯板的边缘，在允许滑移量范围滑动时，不会对聚四氟乙烯板产生破坏，属于正常滑移阶段。如图6,图7。

图6 活动盆式橡胶支座安装初始位置Fig.6 Initial position of the movable basin rubber support installation

图7 活动盆式橡胶支座正常滑移的临界位置Fig.7 Critical position of the movable basin type rubber support on normal slip

2.2 轻微破坏阶段

当不锈钢冷轧钢板边缘逐渐滑入聚四氟乙烯板内时，导致两者之间的接触面变小，接触部分聚四氟乙烯板受到的压强不断增大。在压强大到超过聚四氟乙烯板的抗压强度时，其厚度被压缩变形，不锈钢冷轧钢板的边缘就会嵌入其内，使其外露面形成一道埂(简称“压埂”，下同)，如图8。

图8 聚四氟乙烯板形成第一道压埂Fig.8 The first pressure ridge of teflon plate

以某连续梁桥跨中伸缩缝对应相邻2跨的简支梁和交接墩支座为例：1号梁的右端和2号梁的左端分别有A支座与B支座。分析此时压埂的受力情况。

温度升高时，梁体伸长，由于B支座压埂的约束，处于下坡一侧的2号梁对B支座形成膨胀推力M[3]，如图9。

图9 温度升高时，2号梁通过B支座压埂对桥墩形成膨胀推力MFig.9 Expansion thrust M of No. 2 beam on the pier through B bearing pressure ridge with the increase of temperature

温度降低时，梁体缩短，由于A支座压埂的约束，处于上坡一侧的1号梁对A支座形成收缩拉力L，如图10。

图10 温度降低时，1号梁通过A支座压埂对桥墩形成收缩拉力LFig.10 Contraction force L of No. 1 beam on the pier through A bearing pressure ridge with the decrease of temperature

推力M和拉力L都是梁体在温度变化时产生的力，在一端受固定墩约束和一端受压埂的约束条件下，此力非常大，完全能够推动墩柱向上坡方向偏移[3]。

支座A和B可以看成和墩柱是一个整体，墩柱偏移变形后会产生弹力，当这个弹力大于不锈钢冷轧钢板切削压埂所需要的力(压梗的抗剪强度)时，压埂就被切削掉了。压埂被切削的过程，也是温度力推动墩柱继续偏移的过程[4]。由于上部荷载压力的作用，虽然压埂被切削掉了，但墩柱偏移变形也不能完全恢复。

当第2个温差形成时，继续分析图9、图10，不难得出聚四氟乙烯板产生第2个压埂和又被切削的过程，如图11。

图11 聚四氟乙烯板形成第二道压埂Fig.11 The second pressure ridge of teflon plate

当温度反复升降时，遂形成第3道压埂、第4道压埂、…、第N道压埂，这些压埂又先后被切削，这也是聚四氟乙烯板上坡一侧边缘被切削变成刀口状的原因。

当梁体温差变形量小于需要被切削压埂的厚度时，压埂便不再被完全切削掉，而是形成一个褶皱。

2.3 严重破坏阶段

每个气温升降周期，墩柱都会不断向上坡方向偏移，A支座和B支座上的聚四氟乙烯板都会不断交替破坏，形成更深的压埂，越来越严重。随着之后不断产生的温差，聚四氟乙烯板上便留下一个一个的褶皱，直到被推挤隆起，进入严重破坏阶段。如图12。

图12 聚四氟乙烯板被推挤形成褶皱和隆起Fig.12 The wrinkles and uplift of teflon plate formed by push

由于此阶段不锈钢冷轧钢板已不能切削压埂，故压埂对梁体温度变形的约束越来越明显、越来越强，在温度力作用下对墩柱形成的推力(或拉力)也越来越大，墩柱向上坡方向偏移的速度越来越快，偏移值越来越大。

2.4 不锈钢冷轧钢板破坏阶段

当不锈钢冷轧钢板完全滑出聚四氟乙烯板后，与支座中间钢板接触，形成钢板与钢板之间的推挤。由于中间钢板嵌入支座底板内，底板又与垫石锚固，而不锈钢冷轧钢板仅点焊在支座顶板上，所以不锈钢冷轧钢板焊缝被剥开，继续推挤形成隆起破坏，如图13。

图13 不锈钢冷轧钢板被支座中间钢板推挤形成隆起破坏Fig.13 The bulge fracture of cold rolled stainless steel plate formed by push

3 支座滑动和破坏过程实例验证

以渝邻高速楠花2号桥为例，计算验证支座滑动和破坏过程[4-5]。

楠花2号桥位于重庆渝邻高速公路一直线段上，桥面全宽24.5 m，分左右两幅，桥长284.04 m。右幅上部结构均按4×30.0 m+5×30.0 m布置，每跨由5片长30.0 m预应力混凝土简支T梁组成，下部结构为钢筋混凝土双柱式墩，桥面设计纵坡1.14%。4 # 墩为交接墩，设置单向滑动盆式支座，设计允许滑移量为10 cm。桥梁设计荷载为“汽车-超20、挂车-120”。右幅4#桥墩墩柱及盖梁均采用C30混凝土，墩柱直径均为1.5 m，墩高均为22 m。

桥梁缺陷及病害情况：右幅4 # 墩支座顶板与支座中心安装偏离值最大达到4 cm，实测4#墩支座支撑面坡度平均为3.84 %，右幅4#墩柱墩顶向邻水方向(上坡一侧)偏移28.0 cm，地面以上4 m范围内有19条裂缝。

根据墩柱实际尺寸及相关图纸采用Midas Civil 2012有限元计算软件对其进行建模计算分析[6]。

3.1 水平分力作用下墩顶偏移量计算

桥梁上部荷载对桥墩压力的水平分力[6]为

F=G×cosθ×sinθ=214.62 kN

在此工况下，计算得出右幅4 # 桥墩最大水平位移(即墩顶偏移量)为6.32 cm，如图14。

图14 右幅4号墩位移结果Fig.14 No. 4 pier right range displacement results map

3.2 支座滑移程度分析

右幅4#墩支座设计滑移量为10 cm，由于顶板与支座中心安装偏离值最大达到4 cm，相当于支座实际允许滑移量只有6 cm[7]。墩柱顶部在上部荷载的水平分力作用下偏移值为6.32 cm，已经超过支座的实际允许滑移量，此时不锈钢冷轧钢板已经伸入聚四氟乙烯板内，温度变化时，梁体伸缩产生的力对其形成压缩和剪切。

3.3 墩柱顶部实际偏移状况下需要的推力计算

墩顶实际向上坡方向偏移28.0 cm，计算得出需要的推力为950.85 kN，如图15。梁体变形产生的力要远远大于950.85 kN，能够推动墩柱持续偏移[8]。

图15 4号墩偏移28.0 cm时的位移结果Fig.15 No. 4 pier displacement results map with offset 28.0 cm

4 结 语

由于支座支撑面安装不水平，当温度变化时，连续梁桥交接墩会在上部荷载的水平分力作用下产生偏移，支座顶板与支座产生相对滑移。由于支座顶板与支座中心位置安装偏离，减小了支座实际允许滑移量。当水平分力作用下桥墩的偏移值大于支座实际允许滑移量时，不锈钢冷轧钢板边缘便伸入到聚四氟乙烯板内并形成压埂。在温度变化时，梁体伸缩产生的温度力通过压埂不断作用在桥墩上，推动墩柱持续向上坡方向偏移。这个过程中，聚四氟乙烯板上的压埂越来越多，逐渐形成褶皱和隆起，甚至不锈钢冷轧钢板也被推挤隆起。随着桥梁使用时间的延长，由温度变化产生的力对桥墩的推动成百上千次地发生，最终导致桥墩严重偏移，直至落梁。这就是为什么交接墩实际偏移量远远大于支座支撑面不水平时桥梁上部荷载形成的水平分力对其推动产生的偏移量的原因。

通过本次研究，弄清了连续梁桥交接墩向上坡方向严重偏移的诱导原因和直接原因，也揭示了支座严重剪切破坏的发展过程和原因，为桥梁建设和养护施工中对支座安装质量的控制加深了认识，给同类病害的处治提供了宝贵的理论支持。

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Disease Cause of Severe Deviation of Transfer Piers of Continuous Beam Bridge

TIAN Shiqing, WANG Junxin, SHI Qingfan

(Chongqing Qiaodu Bridge Technology Co., Ltd., Chongqing 400015, P.R.China)

According to the investigation results of the installation defects of basin rubber support and deviation disease of transfer piers, the causes of severe deviation disease of transfer piers of continuous beam bridge were revealed by the analysis on the data of 39 bridges, 130 bridge piers and 1 268 supports at the construction site and the anatomy analysis on some damaged supports. The analysis indicates that the deviation damage is easy to occur at transfer piers of the continuous beam bridge in such cases, the un-horizontal installation of bearing support surface, the large deviation of the installation of the support roof and support center and under the combined action of the force of the beam expansion under the temperature difference.

bridge engineering; continuous beam bridge; transfer piers; severe deviation; causes of disease

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.04

2015-02-12；

2015-07-29

田世清(1971—)，男，四川达州人，高级工程师，主要从事桥隧维修加固、桥梁健康监测方面的研究。E-mail: 13308390607@189.cn。

王俊新(1986—)，男，河北秦皇岛人，工程师，主要从事桥隧检测及加固维修方面的研究。E-mail: 18896017358@189.com。

U445.7

A

1674-0696(2016)03-017-05