桥梁橡胶支座更换技术研究

王 飞，石维铃

(1.湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 410004; 2.浙江金筑交通建设有限公司，浙江 杭州 310051)

0 引言

支座作为桥梁结构中的一部分，起着传递上部结构的支承反力及保证结构在温度变化、活荷载、钢筋混凝土收缩徐变等［1～3］因素下容许自由变形的作用。桥梁橡胶支座的质量好坏直接影响桥梁的安全和使用年限。但是，由于一些自然因素和人为原因，往往大多桥梁的橡胶支座都会遭受各种各样形式的破坏，重者会危及到桥行车、行人的安全。为保证工程安全，对其进行更换是势在必行。

对于桥梁支座出现的老化、变形、开裂等病害，常用处理方法是采取同步顶升技术对支座进行更换。该方法采用大型构件液压同步顶(提)升技术，结合刚性立柱(柔性钢铰线)承重、顶(提)升器集群、计算机控制、液压同步顶(提)升新原理，完成人力和现有设备难以完成大型构件起重和安装，实现支座方便快捷更换，确保桥梁通行安全。该桥梁支座目前的主要病害为:原板式橡胶支座开裂、严重老化原支座已经偏离，支座钢板锈蚀且下钢板底部脱空，支座不均匀受力现象明显。本文以某高速公路桥梁支座更换工程为例，对同步顶升更换支座进行相关的分析研究。

1 工程概况

主桥立面布置图如图1所示:该桥梁中心桩号为 AK0+ 857.102，桥梁起点桩号为 AK0+743.602，终点桩号为AK0+970.602，桥梁全长227 m。

图1 主桥立面布置图(单位:cm)

该桥以钢筋混凝土现浇连续箱梁为上部结构;下部结构为肋板台桥台，基础均采用桩基础;其中1#～4#、9#～12#墩为圆柱独墩;6#、7#墩为矩形独柱墩，5#、8#墩采用双柱式墩，基础均采用承台+桩基础。

该桥自运营以来已达8 a，通过日常的养护检查和专项检测，发现该桥梁已经具有较多病害:立柱裂缝;护坡发生横向开裂伴有轻微的沉陷;12#墩独柱墩支座无垫石，因年久而老化，发生较大的偏压剪切变形，造成支座附近的箱梁底面凹凸不平，以致柱顶和箱梁之间净高减小，柱顶砼不平整。因此急需对互通跨线桥第三联12#墩支座进行更换。

2 箱梁顶升技术方案

结合该桥上、下部结构及支座的病害情况，根据支座更换以及部分墩柱加固改造的需要，对左、右幅的箱梁分别进行整体同步竖向顶升［4～7］，以使得支反力从原支座转换至千斤顶和辅助支承承受，卸除原下部结构受力状态转而由支承体系承担上部结构恒载。通过整体竖向同步顶升，创造单支座独柱墩加固改造的有利条件，使得加固后墩柱可以整体承担上部结构恒载和活载的共同作用。

由于设计时不宜判断12 号墩支座严重偏压剪切变形对箱梁的影响程度，又因左、右幅箱梁连接为整体结构，相邻墩为墩梁固结，因此理论分析较为复杂。施工过程中，要求顶升系统具有可靠承重的能力，施工单位应具有良好的顶升设备和顶升施工的经验，确保顶升施工的安全。

顶升高度满足施工实际需要和桥面交通要求，尽量减小对结构受力的影响，原则上顶升高度应越小越好。采取左、右幅12 号孔和13 号孔箱梁整体同步顶升，顶升高度不大于5 mm，相邻墩顶升高度差控制在2 mm 以内，左、右幅箱梁顶升应同步，整体顶升高度以能取出支座为原则，更换病害支座。

总体施工流程为:施工准备→梁顶标高复测，确定顶升高度→搭设脚手架及作业平台→连接并调试数字控制同步顶升系统→安装千斤顶及位移传感器→试顶→顶升至设计标高→清理墩顶垃圾→更换支座→千斤顶回油，卸载同步顶升系统→完成支座更换→检查支座脱空情况→拆除脚手架，清理现场。

3 理论顶升力的确定

3.1 计算模型

支座更换理论计算的主要目的是确定支反力大小、顶升高度，为施工监控提供依据。根据桥梁的结构受力特点和实际施工工艺和顺序，采用MIDAS/CIVIL 2010 建立空间有限元模型进行计算，对支座更换施工过程进行跟踪分析。

模型建立与理论计算分析时按照原设计参数取用。箱梁、墩柱混凝土分别为40 号、30 号混凝土，建模时按照第三联设计纵断面和横向面进行单元和节点的划分，由于单元划分的精度与其数量成正比，随着数量的增加而精度的提升非常有限，根据经验本桥划分为支座附近单元0.5 m 长度，其余单元1.0 m 长度。并用弹性连接模拟10 号和11 号墩墩梁固结。空间有限元模型中共建立130 个节点，118个单元，有限元模型如图2所示。

图2 有限元计算模型

3.2 计算结果

梁体顶升、支座更换的基本控制原则是支座更换完成后，支座处梁底标高维持不变。因此，支座压缩变形预留高度在确定总顶升量时予以考虑，整体顶升量应大于预留压缩变形高度，因此，总顶升量为支座压缩变形和顶升量之和。

顶升全过程完成后支反力的计算结果见表1，计算结果主要为恒载支反力、活载支反力和正常使用状态荷载组合支反力。

表1 顶升后支反力计算表 kN

4 更换支座后结构响应模拟分析

根据现场施工条件和设备条件，采用分级顶升，也即是模拟实际顶升的过程，并对其过程进行监控，确保每个过程都安全。为分析支座更换后桥梁主梁及桥墩、支座的受力状态、变形大小等采用相应模拟过程分为下列3 个工况进行计算。

顶升工况1:12 号墩顶升4 mm，13 号台顶升2 mm;

顶升工况2:12 号墩顶升6 mm，13 号台顶升3 mm;

顶升工况3:12 号墩顶升8 mm，13 号台顶升4 mm。

将恒载、活载和顶升工况进行组合:

荷载组合1:恒载+活载+顶升工况1;

荷载组合2:恒载+活载+顶升工况2;

荷载组合3:恒载+活载+顶升工况3。

从模拟结果(图3～图8)中可以看出:在组合1工况下截面上缘最大拉应力为5.72 MPa，压应力为5.01 MPa;截面下缘最大拉应力为最大6.42 MPa，压应力为8.24 MPa;在组合2 工况下截面上缘最大拉应力为最大6.17 MPa，压应力为6.22 MPa ;截面下缘最大拉应力为最大7.89 MPa，压应力为8.30 MPa;在组合3 工况下截面上缘最大拉应力为最大6.32 MPa，压应力为6.62 MPa;截面下缘最大拉应力为最大8.50 MPa，压应力为8.32 MPa。在12 号墩顶升8 mm，13 号台顶升4 mm 最终的顶升量工况下的受力亦满足工程要求。

图3 组合1 截面上缘应力包络图(单位:MPa)

图4 组合1 截面下缘应力包络图(单位:MPa)

图5 组合2 截面上缘应力包络图(单位:MPa)

图6 组合2 截面下缘应力包络图(单位:MPa)

图7 组合3 截面上缘应力包络图(单位:MPa)

图8 组合3 截面下缘应力包络图(单位:MPa)

5 监测结果及分析

5.1 应变监测结果

应变(应力)传感器主要布置在11 号墩主梁断面、墩柱顶断面和墩柱底断面(图9)。主梁测试断面应变监测应变图如图10～图12。

图9 测点布置图(单位:cm)

图10 主梁断面各工况应变图

图11 柱顶断面各工况应变图

图12 柱底断面各工况应变图

监测数据表明:在3 种工况情况下，底板应变最大，为24.48;腹板从1 号到3 号应变依次减小，其中1 号最大，在工况3 时为45.92;2 号顶板应变最大，在工况3 时为－17.75;1 号柱顶负向应变最大，3 号柱顶正向应变最大，最大为60;3 号柱底应变也最大。

5.2 位移监测结果

位移传感器主要布置在12 号墩柱和13 号台顶面。实际顶升位移(WY)监测结果见表3，表中数据不包含支座的压缩变形，12 号墩和13 号台支座压缩变形分别为8 mm 和4 mm。

表3 实际顶升位移监控数据表 mm

综合现场监测数据和有限元模型计算结果对比分析可知，更换支座后的临安互通跨线桥无论是应力、应变、主梁及墩的变形指标均满足规范安全要求，且主梁及桥墩在同步顶升的过程中未出现新增裂缝，原有裂缝也无明显增宽增长现象。从位移监测结果来看:本次同步顶升更换支座施工达到了预期效果，加固后的桥梁承载能力满足加固设计预期。

6 结论

通过模型计算支座反力对支座进行安全性计算，其结果表明完成更换支座后的临安跨线桥支座受力明确，变形值符合支座限值要求。本桥同步顶升更换支座历时1 个月，施工达到了预期效果，加固后桥梁整体受力稳定，发展状况良好，到达预期设计时的要求。表明采用同步顶升的方法更换损毁支座是一种安全、快捷、可靠的施工加固措施。通过本桥顺利的加固施工，今后可为曲线连续梁桥、独柱墩连续箱梁桥等类似桥型的支座更换提供理论分析及具体施工方面的借鉴，具有重大意义。

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