变宽钢箱梁桥施工阶段支座脱空分析及解决

2021-12-11颜兆福

黑龙江交通科技 2021年11期

颜兆福，朱婧

(1.中国葛洲坝集团勘测设计有限公司，湖北武汉 430074；2.中铁大桥勘测设计院有限公司，湖北武汉 430010)

1 工程概况

武汉市快速路高架跨汉阳大道桥采用(43+54+43)m连续钢箱梁，桥墩编号为1#～4#。横截面为三箱三室断面，箱梁内外侧悬臂长度为3.4 m。悬臂根部高76 cm，端部高31 cm，箱室内顶底板采用U形纵向加劲肋，顶板悬臂部位采用U肋和板肋加劲。箱室间通过间距3 m左右的横隔板连接。桥梁处于变宽段，1#边墩处桥宽37.61 m，4#边墩处桥宽31.16 m。结构支座布置，每一桥墩处设置3个支座，分别对应三个箱室，支座编号由道路中心线向外侧依次为A/B/C，1#墩处支座及4A支座采用GCQZ3500球型钢支座，2A、2B、3A、3B采用GCQZ9000球型钢支座，2C、3C采用GCQZ8000球型钢支座，4B、4C采用GCQZ3000球型钢支座。

2 钢梁合拢后情况介绍

钢桥采用支架节段拼装焊接施工，拼装合拢后，完成支架卸载工作，桥面铺装层施工还未进行。项目部于10月中旬发现支座1C脱空，后续检查，发现支座1A与支座4C也出现脱空现象。

针对支座1A、1C、4C脱空问题，进行跟踪观测。1C支座10∶30～15∶30分为压实状态，其余时间段为脱空状态，脱空支座的脱空值如表1所示。测量时段早上桥面温度为13.0～15.3 ℃，中午时段桥面温度为31.1～33.0 ℃。

表1 支座脱空值/mm

临时支架卸载后，复测桥面标高，发现实测数值与设计标高有较大差距，2#墩及3B支座附近桥面标高低于设计标高；横桥向两边标高大于中间区域呈现翘曲趋势。同时测量支座垫石顶及支座上板高程，部分垫石顶高程与设计值存在2 cm以内偏差。

3 有限元计算分析

通过有限元软件Midas中梁单元及板单元建立桥梁的空间计算模型，如图1。钢材材质为Q345B，钢材密度7 850 kg/m3。弹性模量2.06×105MPa，线膨胀系数1.2×10-5。

图1 钢箱梁桥模型

梯度温度作用考虑钢梁架设完成，桥面铺装尚未进行时的工况。我国《公路桥涵设计通用规范》并未给出此种工况的梯度温度分布，英国规范BS5400对于正温度梯度采用四折线模式：T1=30 ℃，h1=0.1 m，T2=16 ℃；h2=0.2 m，T3=6 ℃；h3=0.3 m，T4=3 ℃。BS5400对于负温度梯度采用二折线模式：T1=8 ℃，h1=0.5 m；T2=0 ℃。结合现场实测情况，计算模型中正梯度温度采用T1=15 ℃；计算模型中采用T1=8 ℃。整体温度取升温30 ℃，降温-25 ℃。

根据模型计算，拆除临时支撑后钢梁竖向最大位移20 mm。支座反力最小值位于4B为715 kN，最大支反力位于2B，为3 022 kN。在钢梁自重及温度荷载作用下，1A、1C、4C等支座压力储备不足，这与现场实测的1A、1C、4C支座脱空情况相吻合。将各支座在本施工阶段各工况下反力整理于表2，各支座反力合力为21 18 0kN，与施工图中钢梁自重21 140 kN接近。

恒载作用下1#墩支反力合计2 754 kN，如将计算模型中1A、1C、4C支座退出工作，则1B支反力为2 725 kN，即1#墩支座反力合计值变化不大。说明支座脱空后，其原荷载主要由横向临近支座承担。

表2 钢梁合拢后施工阶段支座反力/kN

4 原因分析及解决方案

根据现场观测及理论、数值分析，得出支座脱空的主要原因为。

(1)现场焊接工作量大，存在较大焊接残余变形。由于桥面焊缝集中，会产生较大焊接应力，钢桥四角存在上翘的趋势。

(2)结合现场观测及数值计算，钢箱梁白天处于梯度升温，晚上处于梯度降温。钢箱梁横向刚度大，梯度降温时，会产生较大翘曲变形。由表2可知，梯度温度下边墩支座支座反力与钢梁自重产生的支反力接近，如4#C支座在梯度降温及自重作用下出现负反力。

(3)变宽钢箱梁约束支座位置与箱梁中性轴存在偏离，整体升降温作用下，结构出现扭转倾向，产生水平支座反力。又由于支座位于箱梁底部，在产生水平支座反力的同时，也产生竖向反力。整体升降温作用下竖向反力要小于梯度升降温。

(4)钢梁自重作用下边墩支座反力较低，特别是在变宽箱梁的较窄端，部分支座反力更小。

(5)钢梁焊接拼装前，由于沉降、支架变形、施工误差等因素，存在一定的拼装偏差。

根据上文总结的主要原因，提出通过调整支座顶升量来改善支座受力的方案。具体步骤为：检查支座是否损坏，已损坏的支座需更换；复测支座上板高程，计算支座脱空高度，确定顶升垫板厚度；支座顶升选择在多云或阴天施工，每一墩处3个支座同时顶升，具体顶升量及对应的顶升力见表3。顶升时采用顶升高度控制为主，顶升力监控为辅的方式。

顶升方案后支座反力与设计状态下支反力偏差不大于10%，支座顶升方案各支座支反力之和与设计状态下支反力之和相等。支座顶升方案后结构应力情况与设计状态下结构应力变化不大，均小于规范中设计应力。