南京長(zhǎng)江大橋公路橋維修改造涉鐵工程正橋鋼橋面板支座型式研究

陸酉

摘要：南京長(zhǎng)江大橋公路正橋的維修改造，將原有的陶?；炷列熊嚨腊搴凸蜂摽v梁拆除，更換為整體鋼結(jié)構(gòu)正交異性板，為適應(yīng)板桁間荷載傳遞及板桁溫差作用，板桁之間設(shè)置大量拉壓鋼支座。本文根據(jù)工程特點(diǎn)，從支座性能要求出發(fā)，重點(diǎn)針對(duì)拉壓鋼支座的構(gòu)造形式、材料、性能檢定幾個(gè)方面進(jìn)行研究，以獲得滿足本工程需要的拉壓鋼支座型式。

關(guān)鍵詞：南京長(zhǎng)江大橋;正交異性板;抗拉鋼支座;材料;性能檢定

1 工程背景

南京長(zhǎng)江大橋?yàn)槲覈?guó)第一座自主建造跨越長(zhǎng)江的特大橋梁，正橋共10孔，采用（128+160×3+160×3+160×3）m連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)形式，鐵路在下、公路在上。大橋于1968年12月全線通車，運(yùn)營(yíng)近50年后，因公路橋面存在部分病害危及鐵路運(yùn)營(yíng)安全，于2016年10月實(shí)行公路橋全封閉維修改造^[1]。

公路正橋的維修改造主要將既有陶?；炷列熊嚨腊搴凸蜂摽v梁拆除，更換為整體鋼結(jié)構(gòu)正交異性板，在原公路橫梁頂面支撐位置，設(shè)置拉壓鋼支座，順橋向每8米一排;不增加公路橋恒載，不改變?cè)访娌贾眯问健?/p>

公路正橋改造后，正交異性板的設(shè)置與主桁分聯(lián)長(zhǎng)度位置保持一致，橋面伸縮縫由原50道伸縮縫改為5道大伸縮縫。在每聯(lián)中部設(shè)置一排縱向限位支座，橋軸線設(shè)置一列橫向限位支座，每聯(lián)中部與橋軸線交叉位置設(shè)置固定限位支座，其余均為雙向活動(dòng)支座。

本工程拉壓鋼支座數(shù)量龐大、性能要求高、類型多樣、維修養(yǎng)護(hù)難度大，針對(duì)上述特點(diǎn)本文從支座構(gòu)造形式、材料等方面對(duì)其型式進(jìn)行研究，以獲得適用于本工程要求的支座。

2 支座性能要求

2.1 滿足整體受力要求

公路正橋更換為整體鋼橋面板后，在鐵路活載作用下，支座產(chǎn)生拉力，因此鋼支座除具備抗壓功能外，還應(yīng)具備抗拉功能。

2.2 適應(yīng)正交異性板的變形要求

因板、桁溫差，針對(duì)不同部位的支座，滿足順橋向和橫橋向變形的需要。

2.3 適應(yīng)正交異性板轉(zhuǎn)動(dòng)的要求

正交異性板支承于鋼桁梁上為連續(xù)板結(jié)構(gòu)體系，支座應(yīng)具備轉(zhuǎn)動(dòng)功能。

2.4連接構(gòu)造的合理性

除保障支座本身的力學(xué)性能外，其與鋼橋面板、公路橫梁的連接應(yīng)滿足傳力的需要，并盡可能減少對(duì)既有結(jié)構(gòu)的局部受力影響。

2.5 長(zhǎng)期使用性能和耐久性能要求

鋼支座位于公路與鐵路之間，運(yùn)營(yíng)中的維修養(yǎng)護(hù)必須在鐵路封鎖點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行，操作難度大、功效低，為減少后期維養(yǎng)工作量，降低鐵路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)，鋼支座在材料的耐久性和支座壽命方面應(yīng)予以重點(diǎn)考慮。

3 支座構(gòu)造形式的研究

3.1 支座結(jié)構(gòu)、類型

支座主要由上支座板、耐磨板、球冠、活塞、下支座板、抗拉軸等組成。根據(jù)支座安裝位置，分為固定支座，單向活動(dòng)支座雙向和活動(dòng)支座^[2]。

固定支座上支座板與活塞采用類似高壓鍋蓋連接形式，旋轉(zhuǎn)扣緊，不易脫開，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，受力均勻。

單向活動(dòng)支座和雙向活動(dòng)支座上支座板與活塞采用抽屜連接形式。其中單向活動(dòng)，支座橫向限位，縱向允許活動(dòng)，或者支座縱向限位，橫向允許活動(dòng);雙向活動(dòng)支座橫向預(yù)留一定間隙，橫向允許小位移活動(dòng)，縱向允許大位移活動(dòng)。結(jié)構(gòu)緊湊，安全。

3.2 支座功能特點(diǎn)

（1）抗拉結(jié)構(gòu)：通過抗拉軸、活塞連接上、下支座板，實(shí)現(xiàn)150kN抗拉功能。

（2）轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)：通過活塞、球冠、球面耐磨板實(shí)現(xiàn)支座的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角0.01rad。

（3）水平抗力結(jié)構(gòu)：通過耐磨條使上、下支座板接觸，承受400kN（固定）/80kN（活動(dòng)）水平載荷力^[3]。

（4）臨時(shí)鎖定結(jié)構(gòu)：通過連接板鎖定上、下支座板，調(diào)平支座，同時(shí)抵抗安裝過程中產(chǎn)生的水平載荷^[5]。

3.3 支座結(jié)構(gòu)可靠性

支座上支座板采用整體結(jié)構(gòu)，不需螺栓連接，在正常使用過程中，不會(huì)因?yàn)槠谡駝?dòng)造成螺栓松動(dòng)問題。

活塞與球冠、活塞與下支座板接觸面均為球面耐磨板，支座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上下結(jié)構(gòu)同心，除了耐磨板極小摩擦阻力（摩擦系數(shù)0.03），無其他阻力。支座轉(zhuǎn)動(dòng)順暢，不會(huì)造成既有結(jié)構(gòu)局部受力或梁體內(nèi)應(yīng)力。

抗拉軸與下支座板采用螺紋連接，由于存在彈性體，無法施加足夠的預(yù)緊力，在受壓、受拉、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)情況，為了防止松脫，使用騎縫螺釘，既防松，又不會(huì)破壞螺紋強(qiáng)度。

4 支座材料的研究

支座本體鋼件采用鑄鋼ZG270～500^[7]，鑄造性能良好，有一定的韌性和塑性，強(qiáng)度和硬度高，屈服強(qiáng)度270MPa，極限抗拉強(qiáng)度500MPa。用于支座中，承載力強(qiáng)，安全系數(shù)高。滿足本地區(qū)的大氣狀況^[4]。

支座的豎向承壓滑板及導(dǎo)向滑板采用改性超高分子量聚乙烯，性能優(yōu)良，耐磨性能是鋼材的8～9倍，耐沖擊性能是聚碳酸酯的2倍，摩擦系數(shù)低、承載力大、耐化學(xué)性等。加工簡(jiǎn)單，滑板用新鮮粉料模壓而成，滑板表面儲(chǔ)硅脂坑模壓成型，在硅脂潤(rùn)滑條件下豎向承壓滑板與不銹鋼板對(duì)磨時(shí)（常溫條件下23±2℃）線磨耗率≤5μm/km。使用壽命長(zhǎng)，耐?久可靠。

抗拉軸承受交變載荷，抗疲勞、抗沖擊。采用高強(qiáng)度合金鋼42CrMo，屈服強(qiáng)度650MPa。具有高強(qiáng)度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好^[6]。

支座與橫梁采用大六角頭鋼結(jié)構(gòu)連接螺栓，螺栓材質(zhì)為20MnTiB，等級(jí)為10.9S級(jí)。具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，熱處理后的疲勞強(qiáng)度、變形量及滲碳后在彎曲負(fù)荷下的缺口敏感性均不亞于20CrMnTi，滲碳后可以降溫淬火。且安裝時(shí)，螺栓施加預(yù)緊力，有效防止松動(dòng)^[8]。

5 支座性能的檢定

支座性能檢驗(yàn)按《鐵路橋梁球型支座》TB/T3320-2013、《橋梁球型支座》GB/T17955-2009及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行，包含：支座豎向承載力試驗(yàn)，支座摩擦系數(shù)試驗(yàn)，支座轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)，支座水平力承載力試驗(yàn)，支座抗拉拔試驗(yàn)。

普通試驗(yàn)采用YES-5000液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)（J003），動(dòng)靜態(tài)液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)（工作測(cè)力儀）（J090）?？估卧囼?yàn)采用拉力試驗(yàn)機(jī)。

（1）豎向承載力試驗(yàn)：豎向變形1.17mm，≤2mm，豎向變形/支座總高度0.66%≤1.0%，豎向承載力滿足要求，試驗(yàn)合格。

（2）摩擦系數(shù)試驗(yàn)：實(shí)測(cè)第二次至第五次滑動(dòng)摩擦系數(shù)的平均值，作為支座的實(shí)測(cè)摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)0.007≤0.03，試驗(yàn)合格。

（3）轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)：支座實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，取其3次的試驗(yàn)平均值，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩1562Nm，≤4680Nm，試驗(yàn)合格。

（4）水平承載力試驗(yàn)：水平力100.22KN，≥96KN，支座水平承載力試驗(yàn)，在拆除裝置后，支座變形恢復(fù)。試驗(yàn)合格。

（5）抗拉拔試驗(yàn)：豎向拉力181.29KN，≥180KN?？估S、上支座板、下支座板、活塞無永久變形，螺紋無損壞，試驗(yàn)合格。

經(jīng)過試驗(yàn)，支座各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。支座設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、選材合理。

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

拉壓鋼支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，既能承受豎向壓力，又能承受豎向拉力，且能適應(yīng)橋梁縱向活動(dòng)、橫向活動(dòng)和轉(zhuǎn)角要求，不會(huì)對(duì)橋梁局部應(yīng)力造成影響。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，支座性能符合設(shè)計(jì)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)支座使用工況，鋼件、耐磨板、抗拉軸、連接螺栓選用合理，承載力強(qiáng)，安全系數(shù)高，摩擦系數(shù)低，抗疲勞、抗沖擊，且有振動(dòng)防松措施。

支座承受豎向壓力、豎向拉力載荷，對(duì)安裝空間要求高，為了使支座板與鋼梁密貼，安裝時(shí)使用2mm，4mm，6mm，8mm，10mm等厚度調(diào)高墊板。

6.2為了保證支座順利安裝，有以下注意事項(xiàng)：

（1）安裝過程針對(duì)臨時(shí)鎖定支座旋松連接板的上螺栓和中間螺栓，使間隙達(dá)到2-3mm，即2個(gè)絲扣;

（2）安裝時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)平衡溫度下控制支座橫向位移誤差;

（3）安裝時(shí)應(yīng)控制支座縱向位移匹配;

6.3后期維養(yǎng)建議：

（1）工程建設(shè)完工并運(yùn)營(yíng)后三個(gè)月內(nèi)，應(yīng)及時(shí)對(duì)支座進(jìn)行檢查;

（2）使用一年內(nèi)應(yīng)再次對(duì)支座進(jìn)行檢查;

（3）第二年和第三年應(yīng)每年定期對(duì)支座檢查一次;

（4）三年后，支座基本處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，以后可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行檢查。

參考文獻(xiàn)

[1] 中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.南京長(zhǎng)江大橋公路橋維修改造工程施工圖[Z].2016.11.

[2] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).鐵路橋梁球型支座（TB/T 3320—2013）.北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

[3] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).橋梁球型支座（GB/T17955—2009）.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[4] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).鐵路橋梁鋼支座（TB/T1853-2006）.北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.

[5] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB/T699-1999）.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[6] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).合金結(jié)構(gòu)鋼（GB/T 3077-2015）.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[7] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).一般工程用鑄造碳鋼件（GB/T 11352-2009）.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[8] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件（GBT 1231-2006）.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.