鐵路常用跨度簡(jiǎn)支T梁SQMZ型雙曲面支座的設(shè)計(jì)研究

任 偉，宋順忱

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津 300142)

1 概述

近年來(lái)，隨著橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展，鐵路橋梁中出現(xiàn)了大量的雙線及以上的寬橋，這些橫向較寬的橋梁需要支座在順橋向靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，橫橋向也需要有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，以保證橋梁梁端橫向撓曲時(shí)不受多余約束，從而改善橋梁梁部及支座的受力條件，提高支座的耐久性、減少使用病害。現(xiàn)有的球形支座具有萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng)功能，各向轉(zhuǎn)動(dòng)性能一樣，但一般橋梁橫橋向轉(zhuǎn)動(dòng)角度比順橋向轉(zhuǎn)動(dòng)角度要小，且不需要過(guò)于靈活，即橫向能夠提供轉(zhuǎn)動(dòng)，但要有一定的阻力。

已經(jīng)建成的秦沈客運(yùn)專線比較多地采用了分片式T梁，在梁部架設(shè)完成后進(jìn)行梁端隔板橫向預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，出現(xiàn)了兩側(cè)邊梁板式橡膠支座隨梁翹起、支座一側(cè)脫空的現(xiàn)象，雖經(jīng)過(guò)砂漿調(diào)高，但運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)支座一側(cè)、甚至一角偏壓的情況，使支座受力極為不利，這勢(shì)必影響支座的使用壽命。若采用具有雙向轉(zhuǎn)動(dòng)功能的支座，且支座發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)后不影響支座豎向承載時(shí)的壓應(yīng)力分布，則能夠有效避免這種不利情況的發(fā)生。

SQMZ型雙曲面支座充分吸取了球形支座、圓柱面支座設(shè)計(jì)、研究成果和使用經(jīng)驗(yàn)，它是在球形支座的基礎(chǔ)上，將球冠襯板在順橋向、橫橋向分別設(shè)計(jì)為不同曲率半徑的曲面，從而適應(yīng)實(shí)際橋梁使用中2個(gè)方向不同的轉(zhuǎn)動(dòng)要求。

2 SQMZ支座構(gòu)造、工作原理及特點(diǎn)

2.1 支座構(gòu)造

雙曲面支座由上支座板、下支座板、位于上支座板與下支座板之間的雙曲面襯板、位于上支座板與雙曲面襯板之間的不銹鋼板和平面聚四氟乙烯板(組成滑動(dòng)摩擦副)、鑲嵌在下支座板雙曲面上的曲面聚四氟乙烯板(與雙曲面襯板組成轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦副)、上下支座板的連接板及連接螺栓、支座錨栓、支座圍板等組成，如圖1所示。按照支座功能分為固定支座、橫向活動(dòng)支座、縱向活動(dòng)支座、雙向活動(dòng)支座共4種支座形式。

圖1 雙曲面支座結(jié)構(gòu)

2.2 支座工作原理

雙曲面支座的工作原理與球形支座基本相同?；顒?dòng)支座的滑動(dòng)功能由焊接于上支座板下表面的不銹鋼板和鑲嵌于雙曲面襯板上平面的聚四氟乙烯板組成的滑動(dòng)面來(lái)實(shí)現(xiàn);單向活動(dòng)支座在其非活動(dòng)方向、固定支座縱橫向限位由上支座板的導(dǎo)向槽實(shí)現(xiàn)。

雙曲面支座的轉(zhuǎn)動(dòng)功能由雙曲面襯板與鑲嵌在下支座板上的曲面聚四氟乙烯板之間的相對(duì)滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)雙曲面支座的轉(zhuǎn)動(dòng)中心與梁部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合時(shí)，只需要雙曲面襯板與球面四氟板之間相對(duì)滑動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)支座轉(zhuǎn)動(dòng);但當(dāng)雙曲面支座的轉(zhuǎn)動(dòng)中心與梁部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心不重合時(shí)，支座的轉(zhuǎn)動(dòng)就要受到梁部的約束，此時(shí)平面聚四氟乙烯板與不銹鋼板之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，從而釋放梁部約束，實(shí)現(xiàn)支座轉(zhuǎn)動(dòng)。

雙曲面支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的大小與雙曲面曲率半徑和平面摩擦阻力有關(guān)，靜力平衡關(guān)系如圖2所示。

圖2 雙曲面支座球冠襯板靜力平衡關(guān)系

對(duì)雙曲面曲率中心力的平衡條件為

且

設(shè)

則

式中:τe、τk分別為平面和曲面的摩擦應(yīng)力;μe、μk分別為平面和雙曲面的摩擦系數(shù);V為支座的豎向反力;R為順橋向或橫橋向轉(zhuǎn)動(dòng)半徑;h為雙曲面冠高。

從上式可以看出，雙曲面支座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的偏心矩與支座的摩擦系數(shù)μ和轉(zhuǎn)動(dòng)曲率半徑R有關(guān)。

2.3 支座特點(diǎn)

(1)雙曲面支座具有雙向轉(zhuǎn)動(dòng)功能，縱、橫向采用不同的曲率半徑，從而具有不同的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，因此，適用于曲線橋和寬橋;

(2)雙曲面支座在縱向、橫向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)后并不影響其豎向受力，對(duì)客運(yùn)專線T梁或普通鐵路T梁梁體偏斜的適應(yīng)性強(qiáng);

(3)雙曲面支座的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小，可設(shè)計(jì)成要求大轉(zhuǎn)角的支座;

(4)雙曲面支座為鋼支座，不存在橡膠支座中橡膠變硬或老化等對(duì)支座轉(zhuǎn)動(dòng)性能及耐久性的影響，特別適用于低溫地區(qū);

(5)與球形支座一樣，雙曲面支座通過(guò)曲面?zhèn)鬟f豎向力，因此作用在支承墊石上的反力比較均勻;

(6)雙曲面支座傳遞水平力，傳力途徑明確、可靠。

3 SQMZ型雙曲面支座設(shè)計(jì)

3.1 主要材料

支座主體材料采用ZG270-500或Q345，鏡面不銹鋼、聚四氟乙烯板、SF-Ⅰ復(fù)合板。

3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)鐵路常用跨度的T梁為12～32 m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，支座豎向承載力分為:1 500、2 000、2 500 kN和3 000 kN。

(2)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角:順橋向設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角為0.02 rad;橫橋向設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角為0.006 rad。

(3)支座可承受的水平力(主力):固定支座、縱向活動(dòng)支座橫橋向、橫向活動(dòng)支座順橋向的設(shè)計(jì)水平力為支座豎向設(shè)計(jì)承載力的15%～40%;多向活動(dòng)支座各向、縱向活動(dòng)支座順橋向及橫向活動(dòng)支座橫橋向的設(shè)計(jì)水平力為支座豎向設(shè)計(jì)承載力的5%。

(4)設(shè)計(jì)位移:多向活動(dòng)支座、縱向活動(dòng)支座順橋向位移:±30 mm;多向活動(dòng)支座、橫向活動(dòng)支座橫橋向位移:±10 mm。

當(dāng)承載能力和位移量超出使用范圍時(shí)，根據(jù)承載力和所需位移量的大小可另行設(shè)計(jì)。

3.3 主要結(jié)構(gòu)檢算

對(duì)支座的各個(gè)部件進(jìn)行了全面檢算，包括:支座平面、球面四氟滑板的壓應(yīng)力，縱橫向活動(dòng)支座導(dǎo)向滑板壓應(yīng)力，錨栓剪應(yīng)力，縱橫向活動(dòng)支座側(cè)向擋塊彎剪組合應(yīng)力，固定支座上支座板限位環(huán)應(yīng)力，梁、墩臺(tái)局部壓應(yīng)力等，并根據(jù)檢算結(jié)果對(duì)支座尺寸進(jìn)行了反復(fù)設(shè)計(jì)優(yōu)化。3 000 kN支座結(jié)構(gòu)主要檢算結(jié)果見(jiàn)表1。

3.4 支座有限元分析

為了確切掌握雙曲面支座在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的應(yīng)力分布狀態(tài)，采用ANSYS程序?qū)υ撓盗兄ёM(jìn)行了有限元局部應(yīng)力分析。雙曲面支座有限元分析模型如圖3所示。模型中在上支座板頂面施加均布力，在雙曲面支座下支座板底面施加固定約束，在雙曲面支座中的不銹鋼板、中襯板和下支座板與夾在其間的聚四氟乙烯板間建立接觸面，通過(guò)非線性分析，以模擬它們之間的相互作用和力的傳遞過(guò)程。

表1 3 000 kN支座主要檢算結(jié)果 MPa

材料參數(shù):鋼材取E=210 GPa，μ=0.3;聚四氟乙烯板取E=1 200 MPa，μ=0.4;鋼與鋼之間的摩擦系數(shù)取0.2;鋼與聚四氟乙烯板之間的摩擦系數(shù)取0.03。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖3 雙曲面支座有限元分析模型

表2 3 000 kN支座運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的有限元分析結(jié)果

有限元非線性分析表明，支座鋼結(jié)構(gòu)部分應(yīng)力水平不高、支座受力均勻，滿足設(shè)計(jì)要求;平面四氟板、曲面四氟板，與線彈性設(shè)計(jì)分析結(jié)果相比，除個(gè)別區(qū)域應(yīng)力水平稍高外，總體上四氟板的應(yīng)力分布是均勻的。

4 支座試驗(yàn)情況

為了解支座的變形和支座的轉(zhuǎn)動(dòng)、力學(xué)特性，對(duì)支座進(jìn)行了試驗(yàn)。

(1)整體支座豎向承載力試驗(yàn):垂直荷載作用下，荷載-支座豎向壓縮變形曲線的測(cè)試。

由圖4和圖5可以看出，在垂直壓力 P(最大4 500 kN)作用下，雙曲面支座平均豎向變形最大在0.697～0.727 mm變化，平均0.709 mm，是支座高度的0.53%，小于《球形支座技術(shù)條件》(GB/T17955—2000)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1%限值。試驗(yàn)后，拆開(kāi)支座檢查，未發(fā)現(xiàn)任何損壞，說(shuō)明該支座具有良好的豎向承載能力。

圖4 3次試驗(yàn)上支座板平均豎向壓縮變形－荷載關(guān)系

圖5 雙曲面支座平均豎向壓縮變形－荷載關(guān)系

(2)順橋向/橫橋向轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn):在垂直荷載3 000 kN作用下，測(cè)量支座發(fā)生縱向/橫橋向轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間需要的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 縱向轉(zhuǎn)動(dòng)性能測(cè)量

表4 橫向轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)性能測(cè)量

由表3、表4看出，縱向/橫向最大轉(zhuǎn)動(dòng)力矩均滿足《球形支座技術(shù)條件》中規(guī)定的38.7 kN·m/81.0 kN·m限值要求。

支座試驗(yàn)結(jié)果表明，各項(xiàng)試驗(yàn)滿足相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求，支座具有良好的豎向承載能力和縱向靈活轉(zhuǎn)動(dòng)性能。

5 結(jié)語(yǔ)

SQMZ型雙曲面支座是在吸收以往鋼支座設(shè)計(jì)、使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前橋梁支座使用中的問(wèn)題及實(shí)際使用要求進(jìn)行有針對(duì)性的解決后提出的，具有結(jié)構(gòu)受力合理、使用功能完善、耐久性好，以及維護(hù)工作量小且便于養(yǎng)護(hù)和更換等優(yōu)點(diǎn)，可滿足于客運(yùn)專線、普通鐵路、軌道交通橋梁中的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、T梁、結(jié)合梁及鋼梁等各種梁型的使用要求。

SQMZ型雙曲面支座于2005年9月通過(guò)了鐵道部專家評(píng)審，并于2006年發(fā)布使用。2007年9月，SQMZ型雙曲面支座根據(jù)《客貨共線鐵路常用跨度簡(jiǎn)支T梁支座安裝圖》(通橋(2007)8160)進(jìn)行了重新修編，安裝接口完全符合通橋(2007)8160，已經(jīng)在哈大客運(yùn)專線、太中銀鐵路等多條鐵路橋梁工程中應(yīng)用，解決了低溫嚴(yán)寒地區(qū)盆式橡膠支座易老化問(wèn)題，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

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