混凝土梁桥支承体系使用现状及评估技术进展.pdf

2 0 1 4年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI N A C0NC RE T E AND C E ME NT P RO DUCT S 2 01 4 NO 6 J u n e 混凝土梁桥支承体 系使用现状及评估技术进展 李宏江 ， 李万恒 ， 赵 尚传 ， 张劲泉 ， 杨 昀 ( 交通运输部公路科学研究所 桥梁结构安全技术国家工程实验室， 北京 1 0 0 0 8 8 ) 摘要 ： 为评 价既 有粱桥 支承 体 系的技术状 况 ， 分别以正 交梁桥 、 斜 梁桥 以及 弯梁桥 为分析对 象 ， 系统介绍 了我 国混凝 土梁桥 支承体 系的使用现状 ， 包括典 型病害形式 、 病 害形成机制及其对全桥 结构性 能的影响 ， 阐述 了现有 支承 体 系技 术状 况评 价 的 一 些措 施 方 法 ， 提 出 了今 后 的 发展 趋 势 。 关键词 ： 混凝 土梁桥 ； 支承体 系； 技术状况 ； 可靠性 ； 检测 Ab s t r a c t ： T a k i n g t h e o r t h o g o n a l g i r d e r b ri d g e ， s k e w g i r d e r b ri d g e a n d c u r v e d g i r d e r b ri d g e a s a n a l y s i s o b j e c t s ， t h e u s i n g s t a t u s o n t h e s u p p o r t i n g s y s t e m o f c o n c r e t e g i r d e r b ri d g e s i n Ch i n a a r e i n t r o d u c e d t o e v a l u a t e t e c h n i c a l c o n d i t i o n o f s u p p o r t i n g s y s t e m o f t h e e x i s t i n g g i r d e r b ri d g e ，i n c l u d i n g t h e t y p i c a l d i s e a s e f o r m， d i s e a s e me c h a n i s m a n d i t s e ff e c t o n t h e p e r f o rm a n c e o f t h e wh o l e g i r d e r b r i d g e s t r u c t u r e S o me e v a l u a t i o n me t h o d s a n d me a n s o n t h e e x i s t i n g t e c h n i c a l c o n d i t i o n o f s u p p o r t i n g s y s t e m a r e d i s c u s s e d Ke y wo r d s ： Gi r d e r b rid g e ； S u p p o rt i n g s y s t e m； T e c h n i c a l c o n d i t i o n ； Re l i a b i l i t y ； De t e c t i o n 中图分类号 ： T U 5 2 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 6 3 8 0 4 0前 言 混凝土梁桥包括钢筋混凝土梁桥 和预应力混 凝土梁桥 ， 是桥梁 中最为常见 的结构形式 ， 广泛应 用在公路 、 城 市立交和高架 桥 中 数 量多 ， 工程 量 大。作为混凝土梁桥支承体系的主要形式 ， 支座起 着联 系上 、 下部结构 的纽带作用 工程上通常要求 它与梁 体紧密接触 ， 不得脱空 ， 并且需要保持 良好 的 限位功 能或 适应 变形 的能 力 。 在我 国 ， 橡胶支座技术相对成 熟 。 因其性 能可 靠 、 构造简单 、 安装和使用方便等特点 。 目前已基本 取代了刚性支座 其 主要形式包括板 式橡胶 支座 ( 包括普通板式橡胶支座、聚四氟 乙烯滑板式橡胶 支座、 球冠支座等 ) 和盆式橡胶支座 。 尤以板式橡胶 支座应用最为广泛。国外在桥梁上应用橡胶支座始 于 2 0世纪 5 O年代 ， 我 国是在 2 0世纪 6 O年代初开 始应用的。1 9 6 5年 ， 首次将氯丁橡胶支座应用于广 东省肇庆的公路桥梁上 。1 9 7 5年 开始以天然橡胶 为主体 的耐低温板式橡胶支座应用于北方桥梁工 程 ，从此橡胶支座在全 国各地开始广泛应用于公 路 、 铁路和市政桥梁工程中。然而， 桥梁的运营实践 却表 明在役混凝土梁桥支座的技术状况令人堪 忧。支座的损坏 已成为威胁桥梁安全 、 影响道路畅 通 的重要 因素之一 ， 因此 ， 加 强桥梁支 座的病 害分 析及养护维修显得尤为重要 。 而 以支座为典型的支 承体系的技术状况的评估则是其重要前提。 基金项 目： 交 通运 输部 建设 科技 项 目( 2 0 1 3 3 1 8 2 2 3 0 4 0 ) 。 一 3 8 1 在役 混凝 土梁 桥支 承体 系使 用现 状分 析 1 1 正 交梁 桥 的支座 以中小跨径混凝土梁桥为阐述对象 。其主要结 构形式包括装配式空心板梁桥 、装配式 T梁桥 、 小 箱梁桥等。所谓正交梁桥是相对于斜 、 弯桥而言的 直线桥梁。对于正交梁桥 而言 ， 橡胶支座是最 为典 型的支承构件 。一般而言 ， 合格的橡胶支座应该具 有不少于 2 O年或更长的使用年限 ， 国外一些国家的 要求则更高【 I 】 。支座与桥跨结构通常不能实现同期 破坏 。 因此 ， 在桥 梁设计 基 准期 中， 支 座构 件是 需 要 更换 的。受到加工制造 、 设计 、 安装 、 养护等多方 面 因素的制约 ， 大多数桥梁橡胶支座的实 际寿命难 以 达到设计使用年限。从高速公路桥梁定期检测反馈 的信息来看 ， 目前在 营运 l 0年左右的桥梁中 ， 相 当 数量桥梁的支座出现了脱空( 见图 1 ) 、 变形过大( 见 图 2 ) 以及 各 种形 式 的表 观缺 损 ( 如板 式 橡胶 支 座 的 表面裂纹 、 钢板外露 、 不均匀鼓凸与脱胶等 ， 或者盆 式橡胶支座的钢件裂纹与变形 、 钢件脱焊 、 聚四氟 乙 烯板磨损、 钢盆锈蚀等) 等病害 。这些支座病害产 生的根源是对支承构造细节不够重视 。例如 ， 装配 式梁桥中。 边梁悬臂翼缘板和防撞护栏混凝 土的共 同偏压作用会使得边板重心 向翼缘板一侧 ， 结果造 成外侧支座偏 压 ，发生严 重的压缩 变形和剪切变 形 同时内侧支座负荷减小甚至脱空不受力 ， 而这一 情况通常在桥梁的设计阶段易被忽视嘲 。另外 梁体 的制作以及 吊装施工 中， 支承的实际状况或质量也 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 6期 混凝 土与水 泥制 品 总第 2 1 8期 凝土连续弯箱梁桥的空间实体有限元模型 ， 模 拟该 类桥梁支座常见病害的产生。分析结果证实 ， 扭转 效 应 和 平 面 内 变位 是这 种 桥 梁 的支 座 病 害 出现 的 直接原因 。 需要在设计 中通过合理设 置支承体系特 别是加强侧向限位来消除其对结构 的不利影响。刘 超等【 7 J 以广州某匝道桥 的桥梁检测 为依托 ， 对弯梁 桥的病害成因进行分析 。从广州地 区独墩柱单支座 曲线梁桥所发生的病害来看 不 同程度地存在径向 位移 。 导致独墩柱曲线梁桥平面变位的 内在因素是 结构支承体系的不合理设计 。 弯梁桥 的这些病 害影 响到了桥梁的正常使用 及寿命 ， 严重时会导致桥梁伸缩缝剪切破坏 ， 甚至 发生梁体失稳侧倾 。造成人员伤亡和财产经济损 失 ， 如 2 0 0 7年 1 0月包头市一高架桥的桥面倾覆和 2 0 0 9年 7月津 晋高 速公 路桥 梁 的倒 塌 事 8 1 。尽 管 这些事故与交通量的增长和重车的增加密切相关 但主要是支座布置不合理等构造原因所致 。弯梁桥 的结构特点及其在运营 中所表现出来的病害情况 使得弯梁桥支承体系 的合理布置问题一度成为工 程研究的热点问题。 例如 ， 梁仲林通过中支点不 同 的支承形式对独柱墩连续弯箱梁 内力影响 的分析 和比较 得出不 同的支承形式在较窄和 曲线半径较 小 的弯梁 桥设 计 中的适用 条件 。胡 晓馄等 总 结 了 目前独柱墩连续 弯箱梁桥 中常用的 四种支承体系 ， 即点铰支承 、点铰一 墩梁 固结混合支承 、全抗扭支 承 、 点铰一 抗扭混合支承 ， 然后以某典型实桥为计算 分析对象 ， 对不 同支承体系在各荷载作用下的竖 向 反力和扭矩进行对 比分析 ， 来评判各种支承体 系的 合理性。在构造上 ， 众多学者就此也提 出了一些改 进措施 2 l ， 例如 ， 在梁体与挡块之间设置弹性限位 装置 、 增设 拉 压支 座 、 在 曲线 内侧 压 重 、 增 设 无 粘结 预应 力 钢 绞线将 主梁 与桥 墩 拉 紧等 ， 这 些 措 施 在近 几年所修建的弯梁桥 以及对在役梁桥 的加 固工程 中均 有所 应用 。 2在 役混 凝土 梁桥 支承体 系的技术 状况 评估 方法 J T G HI 1 - 2 0 0 4 公路桥涵养护规范 就支座的 日常养护给出了相关规定 就支座维修与更换也提 出了一些具体措施 ， 但它并未给出支承体 系技术状 况的评估方法。J T G T H 2 1 2 0 1 1 公路桥梁技术状 况评定标准 就橡胶支座 、 钢支座以及混凝土摆式 支座等均给出了相应 的评定指标及分级评定标准 ， 主 要 是 通 过 外 观 检 查 来 定 性地 判 定 支 座 的 技 术 状 况 ， 其量化程度仍然不够。从现有研究来看 ， 梁桥支 承体系的研究大量集中于支座病害及其处理方法 方面 ， 主要涉及支座典型病害的成因分析 、 支座病 40 。 害对桥跨结构性能 的影 响以及支座 的更换方法等 。 而对 支承体系的技术状况 的检测评估 方法的研究 却非常少 ， 仅在支座脱空检测方面有一些报道。 支座脱空的检测通常有两种方法 ： 压力传感 器法 ， 即在支座安装过程 中 ， 将传感器与支座上下 放置 ， 使传感器与支座承受 同样 的压力 通过传感 器所受压力的变化来判断支座是否脱空。该法要求 压力传感器应在支座 安装 时一并安装 。 所 以 ， 对于 已建成的桥梁 ， 压力传感器法不适用。刀片法 ， 即 在最不利荷载作用下 ， 用很薄的物体探入支座与梁 体之问 ， 如能通过 ， 则表示支座已经脱空。该法要求 探入的物体很薄 ， 一般采用 刀片 ， 所 以称之为刀片 法 。 由于 支座 和 梁体 均 为 表 面粗 糙 的 物 体 ， 若 刀 片 能探 入 ， 则 表 明梁 体 与 支座 之 间 的缝 隙 已远 超 刀 片 本身的厚度 ， 反之 ， 若刀片不能探人 ， 并不能说明支 座没有脱空。所以 刀片法有一定 的滞后性 ， 因误差 较 大 ， 故 其测 试结 果往 往 没有说 服力 。由此看 来 ， 开 发一种无需在施工期间事先安装传感器且具有较 高灵敏度 的测试方法 ， 以解决在役桥梁支座脱空的 测试 问题 ， 是 非 常必要 的 。 为克服传统测试 方法 中存在 的传感 器安装困 难和测试误差大等问题 ， 周正茂 等 捌 利用支座脱空 前 后桥 梁 变 形规 律 的不 同 提 出依 据理 论 支 反 力一 实测支座变形曲线判断支座是否脱空的位移法 ， 室 内试验和现场荷载试验结果均证实 了该 方法的有 效性和可行性 ， 可望为今后在役桥梁支座脱空状况 检测提供可参照 的方法。 另 外 ， 为 实现 对 支 座脱 空 的检查 ， 文 献【 3 0 1 介 绍 了桥梁支座检查镜和检查仪的设计与应用情况 。支 座检查镜是利用平面镜反射光线的简单光学原理 ， 改变 支 座检 查 人员 的视线 方 向 ， 进 而 改 变 检 查桥 梁 支座与梁板接触情况时的工作位置 ， 避免了登梯或 跳板检查的危险性。支座检查仪是利用数码成像技 术实现对板式橡胶支座的检查 。这两种检查方式不 仅可用于旧桥检测与加固施工 中， 而且也可用于新 建桥梁施工监测中。 具有较高的应用前景和推广价 值。必须指出的是 ， 桥梁支座检查镜 和检查仪虽然 解决 了对桥梁支座的脱空或半脱空的检查 问题 ， 同 时检查仪还能 自动记录支座处存在 的质量缺陷 ， 但 只能从梁板与支座问有无脱空现象定性地 判定各 支 座 的受 力情 况 不 能 定量 地 分 析 各 支座 受 力 的均 匀性 。 为评定外观缺损橡胶支座的使用状态 ， 梁志广 等 【 3 l 1 以一座 3 mx 3 2 m的预应力混凝 土弯箱梁桥为 例 提出了基于检测与荷载试验相结合的综合评定 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李宏江， 李万恒 ， 赵尚传 ， 等 混凝土梁桥支承体系使用现状及评估技术进展 方 法 ，该 方 法 的主 要 工作 内 容包 括 支 座 压 缩 量 分 析 、 支座橡胶片外凸及开裂分析以及支座压缩荷载 试验 ， 根据现场检测与试验数 据 并结合现行支座 的技术规范来评判支座发生外观缺损后 的工作状 态及其承载能力是否满足运营的要求 ， 为橡胶支座 外观缺损状况评定提供可借鉴的方法 。 3结论 ( 1 ) 支 座脱 空 、 变 形 过 大 甚 至 被 剪 断 以及 表 观 缺损等均是梁桥支承体系的典型病害形式 ， 这些病 害对桥梁结构的可靠性 ( 包括安全性 、 适 用性 以及 耐久性) 具有较大的影响。由于梁桥量大面广 ， 支承 体系 的技术状况评估是保证这些桥梁可靠性评估 的重要内容之一， 也是当前养护工作 的难点问题。 ( 2 )支承体系的技术状况涉及支座的生产制作 、 设计 、 施工 、 运营 、 养护等环节 加强各个 环节的控 制使支座的服役年限达到其设计寿命是关键 ， 同时 对 于 现 役梁 桥 而 言 ， 确 定 支 座 更 换 的 原 则 、 条 件 以 及标 准是 养护 决策 的重 点 。 ( 3 ) 现有 的支承 体 系 技术 状 况研 究 主 要 集 中 于 支座脱空状况检测方面。无论 是正交梁桥 ， 还是斜 梁桥 、 弯梁桥 支座脱空均是常见病害 。因此 ， 现有 的研究 大多是 围绕着支座脱空状况检测而开展工 作 ， 包括建立相关的检测技术体系 、 开发相应 的现 场测试仪器装置等 ( 4 ) 基 于 检测 与 荷 载试 验 相 结合 的综 合评 定 方 法是今后支承体系技术状况量化评估的发展趋势 之一 。 参考文献 ： 1 】 鲍卫 刚， 郑学珍， 李秉秋 公路桥梁板式 橡胶支座 的应 用l J 1 公路。 2 0 0 6 5 1 ( 5 ) ：4 9 5 1 【 2 夏娟， 奚 勇， 刘洪 涛 桥梁支座典型病 害分析及对 策【 J 1 华 东 公路， 2 0 0 8 。 3 1 ( 3 ) ： 3 2 3 4 3 】 骆万春， 钟恩扬 简支 空心板梁桥 结构设计 中优 化的几个 问题【 J J 公路交通技 术， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 3 ) ： 7 7 7 9 4 1 刘蕾蕾 混凝 土梁式桥典 型病 害及 抗震措 施研 究【 J 】 西南 公路 2 0 0 8 3 5 ) ： 6 1 6 5 【 5 王延平桥梁板式橡 胶支座病害案例分析 【 J 1 交通科技， 2 0 1 2 ， 3 8 ( S 1 ) ，4 8 - 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