预应力混凝土梁式桥支座病害与防治

宋连亮

（北京市高速公路建设管理有限责任公司，北京市100070）

0 引 言

支座是联结桥梁上下部结构的重要构件，是桥梁承重、抗震、抗冲击水平荷载、辅助梁体工作的重要部件。其质量和性能直接影响桥梁的使用寿命。目前，支座病害已成为桥梁过早进入维修周期的病害之一。了解掌握支座性能和病害特点，对于实现桥梁设计寿命，已成为建设与管理者认真面对的问题。

1 支座处梁的位移变形特征

支座处梁的位移应考虑以下五个因素[1]：因温度变化、汽车制动力等引起的位移：因梁挠曲引起的位移：因施加预应力引起的主梁位移：因混凝土收缩徐变引起的位移：因地震等偶然作用引起的位移。这五大因素是保持支座正常工作的前提，任一因素的缺失均影响支座的正常工作。

梁式桥主梁支座处产生的纵向水平位移的容许值△l[1]，在不考虑横向横坡分力产生的剪切变形情况下，△l（顺桥向最大容许值）与橡胶片容许剪切角的正切[tgγ]、板厚te（或Σt）的关系是：

△l≦[tgγ]te（见图1）

图1 △l=[tgγ]te之图示

不计活载制动力时，γ=30°[tgγ]取0.5

计活载制动力时，γ=35°[tgγ]取0.7

梁式桥板式橡胶支座竖向平均压缩变形δc，m[1]与矩形支座短边长度或圆形支座直径la、支座顶面倾角θ和板厚te之间的关系是：

由此可以推断出支座顶面容许倾角θ的容许值

以上为规范和行业标准规定，可以理解为超出上述容许值即为支座处于病害状态。

从北京六环路、京通京哈高速桥梁维修工程的实际情况看，长期处于病害状态的支座，是导致桥梁维修的重要因素。

综上所述，桥梁支座病害主要为剪切撕裂和转角超容许值引起，理论和工程实际印证都证明了，支座的正常工作是桥梁产品实现百年大计的重要参数。

2 预应力混凝土梁式桥支座病害类别、主要特征及影响

预应力混凝土梁式桥按施工方法分为预制梁桥和现浇梁桥[2]。按照工程实际发生状况，其支座病害主要分为五类：劣品、脱空、移位、剪裂、失效。

劣品是指质量不合格的支座产品，此种病害是桥梁尚未使用就已经处于一种病态，危及桥体安全（见图2）。

图2 劣质产品之图示

脱空是指支座受力面部分脱离梁底支撑面或支座受立面严重偏压的一种病害（见图3）。脱空又分为左右脱空、前后脱空和不规则脱空三种。其病害机理属转角超容许转角病害。该病害主要产生预制梁板结构，现浇梁板发生的较少。此种病害的直接后果就是支座过早破坏，不及时处治将造成梁体工作异常，直至危机梁体安全。

图3 支座脱空之图示

移位是指支座偏离其工作位置，即偏离了梁支撑点位或盖梁（桥台）设计支撑位的一种病害（见图4）。其病害机理属转角超容许转角病害。此种病害危及梁体受力和桥梁正常工作，如位移支座为个别位置，非群体位移，桥梁直接损毁现象不突出，短期内桥梁工作状态影响较小，但对梁体实质性伤害是严重且持续的。

图4 支座移位之图示

剪裂是指支座剪切变形超出支座变形能力的一种病害（见图5）。其病害机理属支座剪切变形引起的水平位移超容许值病害。此种病害将导致支座工作状态失效，内部结构破坏，支座过早损毁。这种病害是支座病害最严重的一种。

图5 支座剪裂之图示

失效是指支座变形与工作状态异常的一种病害（见图6、图7）。其病害机理属转角超容许转角及剪切变形引起的水平位移超容许值的综合病害。其表现形式是支座局部集中剪切受力如图6所示，支座约一半高度嵌入支座垫石，从而使支座难以工作（有的支座甚至三分之二不工作，如图7、图8所示）。此病还危及桥梁正常工作，造成桥梁与支座双重损害。同时，有些失效类型对后期换支座维修带来巨大困难（见图8、图9）。

图6 支座失效之图示

图7 支座失效之图示

图8 支座失效之图示

图9 支座更换艰难之图示

3 支座病害成因

3.1 劣品

劣品可在任何桥梁出现，出现的原因：（1）建设各方把关不严；威慑力度不足，让不具备生产合格产品的小厂家进入工地。随着国家保护中小企业政策的实施，和反腐倡廉的逐步升级，建设各方为避免违反国家政策，保护本单位、涉事人员廉政安全和规避单位风险，原有的准入制等控制产品的有效制度不再执行。同时新的市场监管覆盖面不足，体系管理不健全，不能及时发现和严厉处治不良企业，造成不良企业违法成本过低。（2）低价中标，劣品驱良品；施工企业为实现自身的企业利益，在未做调研（或深入调研）生产厂家状况下，让一些有资质无能力的企业进入了招标范围。普通橡胶支座产品本身利润已经很低，这些不具备生产专项能力的小企业为进入建设市场，用价格优势挤入了工地。（3）进场检验不规范，劣品蒙混过关。按照现有的公路工程检验评定标准[3]，支座产品仅要求有生产合格证，以及按设计和相关技术规范进行试验检测且合格两项要求。现对第二项要求仔细探究，可以发现其对产品的质量要求更宏观，而没有涉及支座产品本质（对产品质量产生实质影响的指标），设计要求基本就是力学指标（远低于支座性能）、外观尺寸，另外提出满足规范要求。再看《公路桥梁板式橡胶支座支座》[4]标准中，橡胶材料涉及的主要是生产环节的实验检测，对于出场复验未涉及。因此目前工程复验仅对支座的外观和力学性能检测，而这些指标均容易达到，而达到这些目标远远不能代表支座质量合格。同时，由于试验检测单位的市场化，给本已复杂的质量监管工作带来了更加复杂的环境影响。劣质产品进入建设市场更加便利。图2就是某高速公路某现浇桥梁刚完成梁体浇筑，支座就破坏的案例。

3.2 脱空

脱空在装配式预应力梁桥出现的比例较大，其中，弯坡斜的预制梁桥概率较大，现浇梁较少。产生的主要原因有三种：一是支座安装误差造成。由于预制梁梁底支撑点位置支座钢板的预埋是按普通梁实施的（也无法在梁上考虑弯坡斜问题），需要用支座垫石在安装支座时调节。而支座毕竟尺寸小，特别对于弯坡斜桥梁能精准实现复合坡度角度存在一定的难度，产生误差是必然的，但这种误差是可以接受的。二是人为差错。第一种人为差错是预估不足或忽略了此问题；第二种差错是未跟踪安装后的支座工作状态；第三种是安装差错。（1）未实现设计意图，支座垫石低于设计，无法实现支座嵌入垫石，支座与垫石的粘结不牢固（见图10）；（2）支座安装复合坡度差错（见图11）；（3）梁底支撑位钢板偏差大（见图12）；（4）梁体就位时横向或偏转移位时对支座的推移未发现、未调整，产生的差错（见图13、图14）；（5）现浇梁支撑位钢板固定不牢，混凝土浇筑过程导致钢板偏位；或钢板固定偏差大（见图15）；（6）装配式预应力混凝土梁（T梁、小箱梁等）存放时间过长，且无压梁措施，梁体出现反弓等情况（见图16、图17）。

图10 未按设计设置垫石无粘结之图示

图11 复合坡度角度不匹配之图示

图12 梁底支撑位钢板偏差大之图示

图13 支座垫石质量不达标之图示

图14 支座移位之图示

图15 梁底钢板偏位之图示

图16 梁体反弓之图示

图17 施加预应力后支座变形的情况之图示

3.3 移位

移位在装配式梁桥吊装过程中和现浇式梁桥底模拆除前、预应力张拉过程，两种情况下发生的几率较大。装配式吊装过程（尤其是吊车安装）最易发生。在吊车安装情况下，梁体就位、落梁前总会有安装误差，这是由于吊车微调能力较差。准确就位与落梁，既取决指挥者与司机间的默契配合，更主要取决于司机的技术能力，对于双车抬梁情况下还取决于司机相互间的配合能力。因此，梁体就位过程中调整难免触碰支座（特别是支座未与下垫石粘牢），图4就是典型的T梁安装过程支座偏离移位的例子，这个实例还是安装后无人检查支座情况，给工程留下隐患教材。图14是一个预应力现浇箱梁支座“移位”的实例，这个实例的不利结果是支座小部分支撑面悬空，加大了支座的受力负担，但由于安全储备够，不用调整。这个实例得到的启示是：（1）箱梁底支座钢板预埋位置要考虑张拉变形对支点位置的影响；（2）箱梁底支座钢板顺桥向需适当加长；（3）张拉后落梁可以实现对支座无损正常状态。

3.4 剪裂

剪裂是危及梁式桥制作安全的最大杀手。预应力梁式桥按施工方式可分为装配式和现浇式。现浇梁桥作为可以解决特殊桥跨段落的非标结构，是桥梁工程重要的组成部分。对于装配式预制梁相配套的支座，只要不在非恶劣环境（高热、极寒）条件下安装，且安装满足设计要求的条件下，其施工过程产生的变形与设计基本相符，产生病害的几率较小。对于现浇梁，受施工工艺和施工季节的影响，其施工产生的变形与设计存在着一定的差异，尤其对于跨径较大的箱梁桥差异更大。

板式橡胶支座标准工作温度：桥梁板式橡胶支座标准规定[4]，板式橡胶支座标准工作温度为23±5℃。

板式橡胶支座容许剪切变形：桥梁板式橡胶支座标准规定[5]，橡胶支座剪切角不能大于35°，也就是说5 cm板厚的水平位移不能大于3.5 cm。根据工程调查，剪切角超35°支座破坏的居多。因此35°这项指标可以作为评判支座剪切变形的安全标准。

板式橡胶支座剪切变形△，主要由梁体温度应变△t、汽车制动力等引起的位移△q：因施加预应力引起的主梁位移△F：因地震等偶然作用引起的位移△d。

在不考虑△q、△d（该两位移可恢复）情况下，板式橡胶支座剪切变形△的变化情况：

式中：△T=（t0-t1）；α取0.86×10-5；l取1/2梁长为简支梁双向受压时，取全梁长为刚构连续梁时。

△F，由应力压缩混凝土变形（数值较小）与预应力梁体挠曲变形产生的。该种变形在设计阶段考虑较少，与现场实际出入较大。以25～35 m跨径预应力现浇箱梁为例，其实际总变形为3±0.5 cm左右，如京津塘第二高速、京密高速、兴延高速等等高速现浇箱梁桥（段），在完成预应力张拉后均出现了3±0.5 cm左右的剪切变形。

施加预应力引起的主梁位移△F，是导致支座剪切破坏最大的杀手。其原因有：（1）施加预应力引起的主梁位移△F，消耗了支座正常的工作位移量（个别的甚至达到了容许变形），图17为施加预应力后支座变形的情况；（2）由于现浇梁桥的浇筑季节，多为晚春、夏、秋季节，气温20～35℃，冬季收缩变形量较大，室外气温在-15℃条件下，25 m梁△t应在1±0.5 cm左右，30 m梁△t应在1±0.6 cm左右。此变形属支座正常工作状态下的变形梁；（3）△f与△t叠加后，支座剪切变形加剧，使得支座未进入运营期就处于破坏的临界（甚或破坏）状态。

3.5 失效

失效顾名思义就是支座失去作用，多发生在墩、台、支座垫石施工标高超出误差，导致支座局部或大部被埋，导致支座集中受力变形，造成其过早损毁。如图6、图7所示。

4 病害防治措施

针对支座病害的成因，结合工程建设管理的实际情况，建议采取措施如下；

4.1 加强产品出场后质量管理，堵住劣品进入通道

（1）建立政府监督部门质量不合格产品信息通道，加大对生产不合格产品厂家的惩戒力度，增加厂家违法成本。

随着产品生产许可制度的改变，政府对企业的管理转变为事后惩戒管理。新的管理模式处于摸索阶段，目前尚无有效的监管惩戒机制。企业众多，信息不畅，难监难管局面尚未破解，不出现重大轰动事件（这种产品也不会引起重大事故），行业监督部门很难知晓。不合格产品入工程更加便利。

面对这种形势，采用北京市住建委系统实验室管理模式：实验室专业化管理、实验数据共享、不合格产品报警，实现信息共享，使政府监管部门有据可依、精准监管。对于证据确凿情节严重厂家加大惩戒力度，提高违法成本，起到震慑作用。确保产品质量处于健康状态。

（2）修订增补产品行业标准，增加复检相关指标。

橡胶支座的实验检测，材料检测主要是生产环节的实验检测，出场复检未规定进行检测，规范中也无成品橡胶材料检测标准，而橡胶材料是支座耐久性、抗剪切能力的重要材料，同时也是影响支座成本的重要材料。目前工程复验检测标准达到判断支座质量合格需求。

由于支座抗压与抗剪能力对橡胶材料延展性需求相反，抗剪能力强必然损失抗压能力（压缩变形大），抗压能力强（压缩变形小）必然损失抗剪能力。为解决产品抗压与抗剪协调统一问题，橡胶支座标准建议修订：一、增加支座竖向变形和侧向隆起标准值和允许偏差值，达到保证支座竖向承载和横向剪切双满足的需求。二、增加支座产品进场检验内容和检定标准，a.橡胶材料；b.产品变形能力；c.低温变形能力（特别北方寒冷和严寒地区）。

（3）建设单位建立规范灵活的抽检检测机制，实现对产品的质量控制。

面对新的高速公路建设管理模式和复杂的建设环境，只有建设单位的质量意识提高，工程质量才能得到更好的保障。建立产品抽检制度，实现对重要材料、构配件的质量监管，是保证工程质量可控的关键。

采取建设单位质量管理部门适时独立抽检，与监理、施工方联合抽检（减少厂家成本）等多形式灵活管理方式；杜绝产品检测费用由厂家负担的非正常管理（这种方法会加剧产品不合格而报告合格现象出现），采取抽检产品合格检测费用由抽检方负担（或在施工方试验检测费用列支），产品不合格厂家负担等灵活的费用承担模式。用多种灵活的手段实现对产品的质量控制。

（4）施工单位加强合同及过程管理。

为保证产品质量管理过程中，实现顺畅处置不合格产品，要在招标文件及合同文件中对产品质量管理的方式方法予以明确，公正公平开展管理，减少争议，威慑投机厂家。

4.2 加强桥梁施工质量控制，规范、精细施工

（1）加强墩、台及支座垫石的精细化施工管理。

严格控制墩、台及支座顶面高程，确保施工误差在容许范围。细化墩、台支座混凝土浇筑方案。要掌握混凝土的泌水性能，尽量采用泌水少、塌落度略小的混凝土（特别是顶部）。支座垫石须与墩台混凝土同时浇筑，尽量避免支座垫石混凝土二次浇筑。

如支座垫石必须二次浇筑，墩台垫石位置需预留一定空间，在垫石浇筑前需对接触面进行处理，建议对混凝土提高一级标号，同时务必做好后期保水养生，保证与墩台形成一体，强度达到设计标准。

认真做好支座与支座垫石的粘接作业，精细做好位置、高程、坡度等细部作业。确保准确、粘牢。

施工单位、监理单位必须对支座墩、台、垫石进行专项验收，在必要情况下，列为隐检工程的一部分进行管理。

（2）强化吊车安装过程的精细化和支座复验管理。

对吊车安装的桥梁，吊车司机及指挥人员要选用长期配合的团队。在作业时，要准确对位后适时落梁，尽量不扰动支座。同时，质量管理人员必须在单梁就位后及全桥梁体就位后两个阶段，对支座情况进行检查验收。

（3）提高预制梁梁底钢板的安装质量。

预制梁支座位置梁底钢板是影响支座工作性能的又一个影响因素。墩台位置支座安装得是否准确，梁底钢板位置偏差是否大（横纵水平向），对支座的工作性能都会受影响，是造成支座脱空病害的主要原因之一。

预制梁严禁非工厂化预制。预制梁支座钢板必须符合设计的材质，且平整无缺陷。在混凝土浇筑前，必须固定且与底模保持在同一水平面，避免安装误差。在混凝土浇筑时，避免对钢板的扰动。

4.3 采用新技术新工艺，杜绝施工过程导致支座出现病害

（1）采用新技术，克服施加预应力产生位移对支座的影响。

根据支座病害的实际情况，开展新技术研究，利用调节可转换型支座解决支座剪切变形问题等技术开发，杜绝施工过程引起的支座病害。

（2）采用新工艺，克服施加预应力产生位移对支座的影响。

为克服施加预应力产生位移对支座的影响，在现浇箱梁底模板的施工工艺上进行技术革新，如采取可移动支撑模板，待预应力张拉完成后二次落梁等形式，解决支座剪切变形的病害。

4.4 引进使用单位支座专项交工验收，威慑不规范行为

相对建设期而言，运营期周期更长，管养单位需要与桥梁长期密切关联，它对桥梁耐久性、使用寿命更关心，因此引进使用单位作为交工验收一方，更有利约束桥梁施工方因不规范产生的病害的几率，起到威慑作用。支座作为通病列入交工验收的一项内容，将对推动支座病害的形成起到抑制作用。

5 两种控制支座剪切变形技术

解决施加预应力导致的支座剪切变形的病害，目前可行的有两种方式：一是新技术方案解决，即采用可调节转换型支座；二是新工艺方案解决即现浇箱梁预应力张拉前梁底支座钢板与支座留间隙，采用临时可位移砂箱支撑，二次落梁方式。下面对两种方式进行简述。

5.1 可调节转换型支座技术

可调节转换型支座（专利授权公告号CN 205399193 U）[6]，是针对梁体施加预应力产生位移这一实际情况研发的专用支座。该支座的原理是在预应力张拉前，支座为“滑板”型支座，张拉完成梁体位移释放后，固定（机械或固定）后，支座转化为普通板式橡胶支座。该型支座由上（或下）钢板和中间滑动体组成，在上（或下）钢板体设置禁锢螺栓。该支座的主要特点是：构造简单，易操作，便施工；价格比普通板式支座略高，但免去了因支座变形引起的二次顶升费用，综合成本小。此技术已在为兴延高速六环立交东向西匝道成功应用，见图18所示。

图18 可调节转换支座之图示

5.2 临时可位移砂箱支撑，二次落梁工艺

根据施加预应力梁体产生变形的实际情况，采取临时支座工艺克服其对支座的损害，其工艺要点如下：

（1）加长梁底纵向钢板。

施加预应力产生的变形，根据目前掌握的变形规律，对于大多数20～35 m现浇箱梁其变形量为1.5～3.5 cm（双端自由变形减半），为此将支座位置梁底钢板向内侧加长2～4 cm（根据梁长确定）。

（2）人为制造梁底钢板与支座间的活动间隙。

在梁底钢板与支座间添加临时均质平整薄泡沫板，保证混凝土浇筑时梁底钢板稳定，保证预应力施加前梁与支座自由活动。

（3）梁底墩台位置模板增加可移动砂箱支撑。

在墩、台顶面与梁底模板间设置可向内侧位移的临时砂箱。砂箱须具有张拉前保持稳定的特性。在张拉时，方便可解除限位和向内位移的功能。砂箱位移量控制在2～4 cm。

6 结语

桥梁工程是公路建设百年大计中重之又重的工程，关乎公路畅通，关乎后期的养护成本，关乎整条道路的使用寿命，关乎使用者的使用成本乃至生命。支座作为桥梁结构的核心构件，虽然成本不高，但其质量和工作状态关乎桥梁的整体安全。作为桥梁建设相关技术人员，对此要高度重视，避免不必要减少其使用寿命的行为，使桥梁全寿命周期安全低耗是我们每一位建设者的责任与义务。