在役简支T梁结构连续化改造中的支座选型研究*

代 力 刘 强 江祥林

(1.江西省交通科学研究院 南昌 330200； 2.长大桥梁建设技术及装备交通运输行业研发中心 南昌 330200；3.江西赣鄂皖路桥投资有限公司 九江 332000)

1 工程概述

某桥上部结构为标准跨径40 m的预应力混凝土简支T梁，梁高2.2 m，横向由8片梁组成，每隔40 m有1道伸缩缝。由于密集存在的伸缩装置，该桥主要存在以下问题：①行车舒适度较差；②伸缩装置一定程度上增大了车辆的冲击效应，导致结构的局部损伤；③大量伸缩装置给桥梁日常维修管养带来负担[1-4]。因此，拟采用结构简支转连续方案对该桥进行技术改造。

桥梁支座的主要作用是将桥跨结构上的恒载与活载反力传递到桥墩的墩台上，同时保证桥跨结构所要求的位移与转动，以便使结构的实际受力情况与理论计算相符合。不同形式支座对结构受力有较大影响，本文主要通过单、双支座的比选和不同弹性橡胶支座的选择进行研究。

2 单、双支座桥梁结构受力分析

简支转连续梁桥按支座数量可分为单支座和双支座2种结构型式，本文针对这2种结构型式分别设计了不同的改造方案，单支座和双支座的改造设计图分别见图1、图2。

图1 单支座桥梁结构连续

图2 双支座桥梁结构连续(单位:mm)

2.1 单、双支座内力分析

原桥采用钢支座，现在较少使用，改造后仍采用钢支座已不再合适，为了研究单、双支座对主梁内力及支座反力的影响，改造方案采用GJZ 450×500×99型橡胶支座，支座各向刚度SDx=1 362 785 N/mm ，SDy=2 273 N/mm ，SDz=2 273 N/mm。

采用miads Civil建立了四跨一联的简支转连续梁桥计算模型，建模时考虑施工过程体系转换，并在结构连续后一次性施加二期恒载为11.15 kN/m。并进行了4种工况的结构受力分析，计算结果见表1。

表1 不同工况及支承方式下主梁内力值 kN·m

由表1可见，在恒载、汽车荷载(公路-I级)、人群荷载及正梯度温度共同作用下，最大正弯矩发生在边跨跨中附近，单支座的跨中正弯矩在一般情况下大于双支座的跨中正弯矩；最大负弯矩均出现在1，3号墩(根据加固图纸按前进方向对桥墩依次编号，由北向南依次为0，1，2，3，4号)，单支座的墩顶负弯矩均小于双支座的墩顶负弯矩。

根据各项荷载产生的内力值，其承载能力极限状态下的内力组合值见表2。

表2 单、双支座承载能力极限状态边梁内力组合值

从表2可见，双支座桥梁结构内力较单支座略小，特别是对墩顶负弯矩减幅比较明显，减小了8.6%，墩顶剪力减小了5.5%；边跨跨中正弯矩减小较少，为1.5%。

2.2 承载能力极限状态下边梁反力组合值

在不考虑反力横向分布系数沿桥跨纵向变化的情况下对单、双支座边梁的最大和最小支反力进行比较，计算结果见表3和表4。表中荷载组合为1.2恒载+1.4汽车荷载+0.7×1.4×(温度荷载+人群荷载)。

表3 单支座承载能力极限状态下边梁支反力 kN

表4 双支座承载能力极限状态下边梁支反力 kN

由表3和表4可知，采用单支座，最大反力出现在1、3号墩上支座为2 889.8 kN，最小反力出现在0、4号墩上支座为666.3 kN；采用双支座，最大反力出现在1号墩左、3号墩右支座为2 106.5 kN，小于采用单支座形式下的支反力；最小反力组合出现在1号墩右、3号墩左支座为201.8 kN。由此可见，采用单支座、双支座(GJZ 450×500×99橡胶支座)均不会出现脱空现象。

2.3 单、双支座连续结构形式比选

综合上述结构受力分析结果，同时考虑施工和运营等其他因素的影响，各结构形式的特点见表5。

表5 简支结构、单支座和双支座连续结构3种结构型式对比

由表5可见，从结构受力角度来说，桥梁结构形式从简支变连续后跨中最大弯矩会有一定程度的减小，双支座结构减小的程度较单支座大；从施工工艺比较，单、双支座结构在墩顶负弯矩处构造复杂，但双支座相比单支座施工更为方便。综合考虑后，改造方案中采用双支座连续结构更为合适。

3 双支座桥梁结构连续的支座选型

3.1 板式橡胶支座选型

板式橡胶支座一般由数层薄橡胶片与刚性加劲材料粘结而成。由于钢板的加劲，阻止橡胶片的侧向膨胀，从而提高了橡胶片的抗压能力，同时由于橡胶有良好的弹性，可以适应梁端转动，有较大剪切变形以满足上部构造的水平位移。

支座对结构受力的影响，反映在计算模型上主要是竖向刚度，为了从中选择出较为合理的支座型号，通过查阅GJZ板式橡胶支座的规格型号，并对他们的参数进行比较，得出板式橡胶支座的竖向刚度与橡胶支座总厚度成反比的结论，竖向刚度为5×105～2×106N/mm。为了研究支座刚度对桥梁结构内力的影响，分别采用GJZ 400×400×99(竖向刚度为685 650 N/mm)和GJZ 450×500×99(竖向刚度为1 362 785 N/mm)型支座，2种支座竖向刚度相差比较大，两端伸缩缝所在位置采用对应型号的四氟滑板支座进行桥梁结构受力计算。

3.2 不同形式支座活载作用产生的内力分析

对刚性支座、GJZ 400×400×99和GJZ 450×500×99 3种支座桥梁结构内力进行对比分析。

3.2.1对汽车荷载冲击系数的影响

汽车荷载冲击系数与结构基频有关，3种不同支座对桥梁动力性能参数的影响见表6。

表6 不同支座下的动力性能参数

由表6可知，支座的竖向刚度对桥梁结构的基频有一定影响，支座竖向刚度越大，结构基频越大，对应的冲击系数也越大。由此可见，相对于刚性支座，橡胶支座能够明显减小汽车荷载的冲击作用。而通过2种板式橡胶支座比较可知，常用板式橡胶支座的刚度变化范围内，结构冲击系数变化不大。

3.2.2对公路-I级汽车荷载的影响

考虑汽车荷载横向分布系数为0.525(边梁)，考虑汽车荷载冲击系数和不考虑汽车荷载冲击系数的影响，边跨跨中附近最大正弯矩和墩顶最大负弯矩见表7。

表7 公路-I级汽车荷载作用下的、不同冲击系数的结构内力 kN·m

由表7可见，综合考虑汽车荷载冲击系数后，由于板式橡胶支座的竖向刚度有一定范围，在这个范围内采用不同型号的板式橡胶支座对结构弯矩影响较小，而相对于刚性支座，橡胶支座可以明显减小墩顶负弯矩。

3.3 不同型号橡胶支座支反力

依据公路桥梁荷载横向分布计算得到支反力荷载横向分布系数，再根据支反力的纵向影响线，将空间结构体系转化为平面结构，从而计算得到支座反力。

3.3.1荷载横向分布系数

近似计算时通常认为橡胶支座对桥端荷载横向分布系数m0的影响较大，而m0对于计算梁端及其附近截面车辆荷载产生的剪力起着重要作用[5-6]。采用2种支座形式的梁端荷载横向分布系数见表8。

表8 不同支座的梁端荷载横向分布系数

3.3.2支反力影响线

2种弹性橡胶支座考虑荷载横向分布系数沿纵桥向变化的各墩边梁(1号梁)支反力影响线对比图分别见图3～图6。

图3 0号墩支座支反力影响线

图4 1号墩左支座支反力影响线

图6 2号墩左支座支反力影响线

由图3～图6可知，GJZ 400×400×99和GJZ 450×500×99型橡胶支座(弹性支座)后支座支反力影响线峰值大幅度减小。

3.3.3支反力组合值

2种橡胶支座承载能力极限状态下各支座反力组合值分别见表9、表10。

表9 GJZ 400×400×99型橡胶支座承载能力极限状态下各橡胶支座反力组合值 kN

表10 GJZ 450×500×99型橡胶支座承载力极限状态下各橡胶支座反力组合值 kN

由表9和表10可以得到以下结论：

1) 采用GJZ 400×400×99和GJZ 450×500×99 2种不同类型支座对成桥状态恒载、梯度温度和人群荷载产生的支反力值影响很小，主要受影响的是汽车活载。

2) 2种支座最小支反力组合值都大于0，表明不会出现支座脱空；

3) 2种支座最大支反力组合值均出现在1号墩边梁左支座，分别为1 700.9 kN和2 019.8 kN；

4) 最小支反力组合值均出现在1号墩边梁右支座，分别为621.3 kN和298.4 kN。

3.4 板式橡胶支座最终选型

根据上述支座支反力值，结合我国JTG 3362-2018 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对支座进行验算。

一般情况下，板式橡胶支座承载能力的安全系数为3.0，GJZ 400×400×99型板式橡胶支座的最大承载力为1 521 kN，支座与混凝土接触时的抗滑最小承压力为373 kN，支座与钢接触时的抗滑最小承压力为560 kN，计算得到的最大支反力组合值为1 700.9 kN，超过该型号的最大承载力1 521 kN的11.8%，在可接受的范围之内，因此，GJZ 400×400×99型板式橡胶支座满足要求。

GJZ 450×500×99型板式橡胶支座的最大承载力为2 156 kN，支座与混凝土接触时的抗滑最小承压力为525 kN，支座与钢接触时的抗滑最小承压力为788 kN，计算得到的最大支反力组合为2 019.8 kN，小于该型号的最大承载力2 156 kN，但是，最小支反力组合值为298.4 kN，小于该型号与钢接触的抗滑最小承压力为788 kN(按部分支座保留了原预埋钢板考虑)，因此，GJZ 450×500×99型板式橡胶支座不能满足要求。

4 结论

1) 主梁结构简支变连续后，跨中最大弯矩有一定程度的减小，双支座结构减小的程度较单支座大；考虑施工工艺，单、双支座结构在墩顶负弯矩处构造复杂，但双支座相比单支座施工较为方便。因此，双支座连续结构更为合适。

2) 采用GJZ 400×400×99和GJZ 450×500×99 2种不同类型支座对成桥状态恒载、梯度温度和人群荷载产生的支反力值影响很小，对汽车荷载影响较大。

3) 板式橡胶支座竖向刚度越大，汽车荷载产生的最大支反力和负反力(绝对值)也越大。

4) GJZ 450×500×99型最小支反力组合小于其对应抗滑最小承压力，GJZ 400×400×99型板式橡胶支座的最大承载力为1 521 kN，支座与混凝土接触时的抗滑最小承压力为373 kN，支座与钢接触时的抗滑最小承压力为560 kN，计算得到的最大支反力组合为1 700.9 kN，超过该型号的最大承载力1 521 kN的11.8%，最小支反力值为621.3 kN，大于抗滑最小承压力560 kN，同时，一般情况下，板式橡胶支座承载能力的安全系数为3.0，选择GJZ 400×400×99型板式橡胶支座相对合理。