鐵路橋梁支座病害分析

劉 綱

(神華包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

1 概述

包神鐵路北起包蘭鐵路的萬(wàn)水泉站，經(jīng)內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)，至陜西省神木縣大柳塔鎮(zhèn)，全長(zhǎng)170.15 km。包神鐵路建成于1989年，現(xiàn)已運(yùn)營(yíng)24年，設(shè)計(jì)年運(yùn)輸能力1 400萬(wàn)t，后經(jīng)過(guò)電氣化改造，對(duì)列車(chē)進(jìn)行了提速，包神線(xiàn)運(yùn)量大大提高，至2009年年底年運(yùn)輸能力增加到1.6億t。包神鐵路設(shè)計(jì)施工于20世紀(jì)80年代，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、施工工藝、施工材料均不能達(dá)到現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行的運(yùn)量和設(shè)計(jì)車(chē)速已遠(yuǎn)超過(guò)其當(dāng)初設(shè)計(jì)值，而橋梁結(jié)構(gòu)本身承載力并未隨之提高，隨著橋梁服役期的不斷增長(zhǎng)，相應(yīng)的病害日益凸顯，其中支座病害最為嚴(yán)重。包神線(xiàn)管內(nèi)支座主要為鑄鋼支座，分為搖軸支座、弧型支座和輥軸支座三種類(lèi)型。

2 支座作用及布置原理

2.1 支座作用

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁上部結(jié)構(gòu)和墩臺(tái)之間需設(shè)置支座，其作用為:1)將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到墩臺(tái)及基礎(chǔ)，其中荷載包括恒載和活載引起的豎向力和水平力。2)保證結(jié)構(gòu)在活載、溫度變化、混凝土收縮和徐變等因素作用下能自由變形。

固定支座傳遞豎向力和水平力，允許上部結(jié)構(gòu)在支座處能自由轉(zhuǎn)動(dòng)但不能水平移動(dòng);活動(dòng)支座則只傳遞豎向力，允許上部結(jié)構(gòu)在支座處既能自由轉(zhuǎn)動(dòng)又能水平移動(dòng)。鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋靜定結(jié)構(gòu)的受力圖如圖1所示。

圖1 靜定結(jié)構(gòu)受力圖

2.2 支座布置原則及其原理解析

包神鐵路橋梁支座布置遵循《維規(guī)》中支座布置原則:當(dāng)橋梁位于坡道上時(shí)，固定支座應(yīng)設(shè)在較低一端，如圖2所示;當(dāng)橋梁位于平坡上時(shí)固定支座宜設(shè)在梁的重車(chē)方向端，如圖3所示。

圖2 有坡道支座布置

包神鐵路梁體主要采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T型梁，預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁失效標(biāo)準(zhǔn)是梁體下緣出現(xiàn)拉應(yīng)力甚至拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度(即開(kāi)裂)，所以支座的布置原則就是盡量減小梁體下緣所受拉力。從圖2可以看出有坡道時(shí)，梁上荷載P在沿梁坡道方向有一個(gè)分力，此分力有使梁體產(chǎn)生指向固定支座方向位移的趨勢(shì)，由于固定支座不能水平移動(dòng)，則梁體會(huì)有縮短的趨勢(shì)即梁體受壓，此壓力可以抵消一部分梁上荷載產(chǎn)生的梁下緣拉力，符合支座的布置原則。從圖3可以看出當(dāng)將固定支座設(shè)于梁的重車(chē)方向端，重車(chē)牽引力或制動(dòng)力也會(huì)給梁一個(gè)沿梁體指向固定支座方向的力，此力有使梁體產(chǎn)生指向固定支座方向位移的趨勢(shì)，由于固定支座不能水平移動(dòng)，則梁體會(huì)有縮短的趨勢(shì)即梁體受壓，此壓力同樣抵消一部分梁上荷載產(chǎn)生的梁體下緣拉力，符合支座的布置原則。

圖3 重車(chē)方向支座布置

3 活動(dòng)支座工作原理

以搖軸支座為例介紹活動(dòng)支座的工作原理。搖軸活動(dòng)支座由底板、搖軸和與錨固于梁底板的上擺組成，如圖4所示。搖軸頂面與上擺由擺卡和順橋向限位連接，擺卡限制搖軸的橫橋向位移，上擺上設(shè)有順橋向限位，可以保證搖軸頂面與上擺在順橋向同步位移，搖軸底面與底板由銷(xiāo)釘連接。搖軸的底面為圓曲面形，可以在底板上自由轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于銷(xiāo)釘?shù)南拗谱饔茫瑩u軸與底板不能有相對(duì)位移，活動(dòng)支座的縱向位移由搖軸轉(zhuǎn)動(dòng)后搖軸頂面與底面的位移差實(shí)現(xiàn)。

圖4 搖軸活動(dòng)支座

圖5 銷(xiāo)釘受剪破壞

搖軸支座的理想工作狀態(tài)是搖軸底面在底板上轉(zhuǎn)動(dòng)，最大允許轉(zhuǎn)角為7°，梁體在轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)自由伸縮，并可以在自重作用下?lián)u軸底面回到原來(lái)位置。但包神鐵路橋梁由于重車(chē)方向明確、坡度設(shè)置和收縮徐變等因素影響，轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的梁體位移已不能滿(mǎn)足梁體伸縮要求，當(dāng)搖軸轉(zhuǎn)角達(dá)到最大，隨著梁體進(jìn)一步縮短，梁上水平力在由搖軸傳遞給底板時(shí)，銷(xiāo)釘所受剪力漸漸增大，直到銷(xiāo)釘受剪破壞，如圖5所示。銷(xiāo)釘受剪破壞后，搖軸在底板上沒(méi)有了約束，除了轉(zhuǎn)動(dòng)外可以產(chǎn)生水平位移，如圖6所示，此時(shí)的梁體水平位移包括搖軸轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的梁體位移與搖軸底面在底板上產(chǎn)生的水平位移之和。

圖6 銷(xiāo)釘剪斷后支座位移

當(dāng)銷(xiāo)釘剪斷，搖軸與底板之間有相對(duì)位移后，此時(shí)的水平力傳遞是梁體通過(guò)上擺的順橋向限位傳遞給搖軸，然后由搖軸底面與底板的摩擦力傳遞到底板進(jìn)而傳遞到橋墩，當(dāng)發(fā)生地震、撞擊或列車(chē)急剎車(chē)等偶然事件時(shí)，梁上傳遞的水平力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于搖軸底面與底板的摩擦力，將產(chǎn)生瞬時(shí)較大位移，有可能搖軸滑出底板發(fā)生落梁，造成安全事故。從圖4可以看出上擺順橋向限位截面較小，在搖軸已產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)角和位移，與順橋向限位頂死狀態(tài)下，支座一側(cè)的兩個(gè)順橋向限位承受很大的剪切力，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，很有可能發(fā)生脆斷，發(fā)生安全事故。換支座時(shí)上擺不更換(順橋向限位與上擺為一個(gè)整體)，順橋向限位作為一個(gè)主要受力構(gòu)件，應(yīng)加以重視。

4 支座位移方向原因分析

通過(guò)對(duì)包神鐵路橋梁支座普查，大部分活動(dòng)支座位移指向跨中方向，其原因主要分為兩方面:

1)包神鐵路大部分橋梁具有縱坡，且因?yàn)槭沁\(yùn)煤專(zhuān)線(xiàn)其重車(chē)方向明顯，以北線(xiàn)橋梁為例，從東勝到包頭方向?yàn)橹剀?chē)方向，北線(xiàn)大部分橋梁有縱坡且包方為較低端，則北線(xiàn)橋梁固定支座大部分設(shè)置在包方，支座布置符合《維規(guī)》中支座布置原則。從支座布置原則的原理解析中可知，當(dāng)橋梁位于坡道上時(shí)，梁上荷載在沿梁坡道方向有一個(gè)分力，此分力有使梁體產(chǎn)生指向固定支座方向位移的趨勢(shì)，由于固定支座不能水平移動(dòng)，則梁體會(huì)有縮短的趨勢(shì)，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，梁體縮短就會(huì)帶動(dòng)活動(dòng)支座向跨中方向移動(dòng)，則活動(dòng)支座產(chǎn)生向跨中方向的位移;將固定支座設(shè)于梁的重車(chē)方向端，重車(chē)牽引力或制動(dòng)力會(huì)給梁一個(gè)沿梁體指向固定支座方向的力，此力有使梁體產(chǎn)生指向固定支座方向位移的趨勢(shì)，由于固定支座不能水平移動(dòng)，則梁體會(huì)有縮短的趨勢(shì)，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，梁體縮短就會(huì)帶動(dòng)活動(dòng)支座向跨中方向移動(dòng)，活動(dòng)支座會(huì)產(chǎn)生向跨中方向的位移。

2)包神鐵路橋梁梁體采用預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁，預(yù)應(yīng)力混凝土梁由于預(yù)應(yīng)力筋的作用，梁體處于偏心受壓狀態(tài)，在梁體下緣預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)壓力最大，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，梁體會(huì)產(chǎn)生徐變壓縮變形，其中梁體下緣徐變變形最大(方向沿預(yù)壓力方向)，即梁體下緣縮短最大，此時(shí)梁體上拱度增大。由于固定支座不能水平移動(dòng)，梁體縮短就會(huì)帶動(dòng)活動(dòng)支座向跨中方向移動(dòng)，則活動(dòng)支座產(chǎn)生向跨中方向的位移。同理梁體混凝土的失水收縮也會(huì)加大梁體縮短，梁體縮短就會(huì)帶動(dòng)活動(dòng)支座向跨中方向移動(dòng)，則活動(dòng)支座產(chǎn)生向跨中方向的位移。

5 支座位移過(guò)大產(chǎn)生的不利影響

從以上所述可知，正常情況下，活動(dòng)支座位移應(yīng)指向跨中方向，即梁體縮短，梁體縮短會(huì)造成預(yù)應(yīng)力損失增大，對(duì)梁體受力不利，縮短梁體壽命;如活動(dòng)支座已產(chǎn)生較大位移，其繼續(xù)產(chǎn)生位移的空間會(huì)越來(lái)越小，漸漸形成活動(dòng)支座不活動(dòng)，活動(dòng)支座不活動(dòng)可能使結(jié)構(gòu)體系由原來(lái)的靜定結(jié)構(gòu)變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu)(即梁的兩端均為固定支座)，橋梁所受荷載尤其是活載不能得到有效緩沖，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利，另外由于活動(dòng)支座不能自由伸縮，在溫度變化、混凝土收縮徐變等因素影響下，梁體將產(chǎn)生較大次內(nèi)力，縮短梁體壽命。

6 綜述

1)以包神鐵路支座為背景，介紹了支座的布置原則，并對(duì)布置原則從力學(xué)上進(jìn)行解析，即支座的布置以減小梁體下緣所受拉力為原則。

2)以搖軸支座為例介紹活動(dòng)支座的工作原理，對(duì)整治和預(yù)防支座病害具有重要意義。

3)對(duì)活動(dòng)支座位移方向原因進(jìn)行解析?；顒?dòng)支座位移指向跨中方向，此時(shí)梁體縮短即梁體受壓，可以減少梁體下緣所受拉力，符合支座布置原則，反之可以看出，支座的布置考慮了支座的位移方向;活動(dòng)支座位移指向跨中方向的另一原因?yàn)榱后w的收縮徐變。

4)介紹活動(dòng)支座位移過(guò)大的不利影響，會(huì)造成較大預(yù)應(yīng)力損失，對(duì)梁體受力不利;造成活動(dòng)支座不活動(dòng)，荷載不能得到有效緩沖，也有可能使梁體產(chǎn)生次內(nèi)力，縮短梁體壽命。

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