新型盆式球型鋼支座在大嶺堡大橋中的應(yīng)用研究

陳飛龍

福建路橋建設(shè)有限公司，福建 福州 350001

0 引言

支座系統(tǒng)是橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)橋梁的耐久性具有較大的影響。目前，我國(guó)建造的公路橋梁大多數(shù)采用盆式橡膠支座和球型鋼支座。盆式橡膠支座的結(jié)構(gòu)合理，受力明確，轉(zhuǎn)動(dòng)與滑動(dòng)部件分離，關(guān)鍵部件置于鋼盆內(nèi)，能夠有效避免支座受到環(huán)境污染［1］，但其橡膠密封圈長(zhǎng)期處于轉(zhuǎn)動(dòng)工況，存在易磨損進(jìn)而造成密封失效且橡膠本身存在老化、硬化現(xiàn)象，使用壽命不長(zhǎng)等缺點(diǎn)。長(zhǎng)安大學(xué)的許漢錚等人通過(guò)ANSYS 建立橋梁盆式橡膠支座三維模型對(duì)其豎向承載力學(xué)性能進(jìn)行仿真模擬，其研究表明盆式橡膠支座在設(shè)計(jì)豎向荷載作用下的最大主應(yīng)力、豎向壓縮變形以及徑向變形均滿足設(shè)計(jì)要求［2］。河北大學(xué)的鄭軒等人采用ANSYS 模擬腐蝕對(duì)盆式支座力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明鋼盆外表面的腐蝕對(duì)支座的力學(xué)性能影響較小，但支座的最大壓縮變形受腐蝕影響較大［3］。對(duì)于球型鋼支座而言，其優(yōu)點(diǎn)是純鋼結(jié)構(gòu)，無(wú)橡膠老化問(wèn)題且可以實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)角［4］，但球型鋼支座的球冠在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需受到水平分力和豎向力的作用，球冠底部易產(chǎn)生偏壓，球冠有滑出下支座板的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)動(dòng)球冠未封閉，受力不明確、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的王高新等人通過(guò)對(duì)球型鋼支座的縱向動(dòng)位移的監(jiān)測(cè)并基于支座超過(guò)磨損上限的失效概率對(duì)支座的磨損狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其研究表明球型鋼支座的動(dòng)位移累加行程與加載次數(shù)呈線性相關(guān)［5］。西南交通大學(xué)的宋曉東等人通過(guò)在球型鋼支座的滑動(dòng)面填充高抗凍性硅脂使得傳統(tǒng)的球型鋼支座具備耐嚴(yán)寒能力［6］。綜上所述，盡管盆式橡膠支座和球型鋼支座具備較為優(yōu)異的力學(xué)性能，但兩者仍存在使用壽命較短，無(wú)法達(dá)到全壽命設(shè)計(jì)的要求。

河北橋致通科技有限公司的周振宇等人研發(fā)了一種新型盆式球型鋼支座（CJPQGZ 型）［7］，該新型支座綜合考慮了盆式橡膠支座和球型支座的性能特點(diǎn)長(zhǎng)處，進(jìn)一步改善了傳統(tǒng)橋梁支座的力學(xué)性能以及耐久性能，同時(shí)避免了盆式橡膠支座和球型支座不足之處。本文以延崇高速大嶺堡大橋的工程實(shí)際應(yīng)用對(duì)新型盆式球型鋼支座的優(yōu)點(diǎn)、力學(xué)性能、安裝工藝進(jìn)行研究，為新型盆式球型鋼支座的推廣應(yīng)用以及類似工程提供參考依據(jù)。

1 新型盆式球型鋼支座(CJPQGZ 型)概述

新型盆式球型鋼支座綜合考慮了盆式橡膠支座和球型支座的優(yōu)點(diǎn)，將使用鋁合金材料制成球冠代替橡膠墊，解決了傳統(tǒng)橡膠墊長(zhǎng)期受環(huán)境影響導(dǎo)致的硬化、老化等問(wèn)題，且鋁合金的球冠具備強(qiáng)度高、耐腐蝕以及重量輕的特點(diǎn)。該新型支座的滑板采用網(wǎng)狀分子聚四氟乙烯材料替代傳統(tǒng)的純聚四氟乙烯材料，有效提高了耐磨性和抗壓強(qiáng)度。該新型支座表面采用了冷噴鋅防腐涂料，能夠?yàn)橹ё峁╆帢O保護(hù)，在支座長(zhǎng)期工作中不遭銹蝕。由于該支座不采用橡膠承壓，因此不存在橡膠老化對(duì)支座轉(zhuǎn)動(dòng)性能的影響，特別適用于寒冷地區(qū)。此外，該新型支座轉(zhuǎn)動(dòng)功能是通過(guò)活塞與球冠之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，水平位移是通過(guò)上支座板在活塞上滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)與滑動(dòng)部件的分離，因此受力更加明確，減少了滑動(dòng)位移累積量，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 盆式球鋼支座（CJPQGZ 型）構(gòu)造圖

2 新型盆式球型鋼支座(CJPQGZ 型)力學(xué)性能試驗(yàn)

本文以新型盆式球鋼支座（CJPQGZ-4000-DX）為試驗(yàn)樣品（支座高度135 mm、盆環(huán)外徑460 mm、設(shè)計(jì)荷載4000kN），在試驗(yàn)室內(nèi)溫度22℃放置24 小時(shí)后進(jìn)行檢測(cè)，主要檢測(cè)指標(biāo)為豎向承載性能、轉(zhuǎn)動(dòng)性能及摩擦系數(shù)。檢測(cè)儀器為電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為YJW-8000（SY152），執(zhí)行依據(jù)《公路橋梁球型支座》（GB/T17955-2009）［8］。

2.1 豎向承載力試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文對(duì)該新型支座采用分級(jí)加載進(jìn)行豎向承載力試驗(yàn)，每級(jí)承載力下進(jìn)行3 次試驗(yàn)，取3 次試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為每級(jí)承載力下的豎向壓縮變形值和盆環(huán)徑向變形值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。分析可知，當(dāng)支座在豎向設(shè)計(jì)承載力達(dá)到4000kN 時(shí)，壓縮變形值達(dá)到了1.025mm，盆環(huán)徑向變形值達(dá)到了0.006mm。

豎向壓縮變形與支座的高度之比作為豎向壓縮變形率，經(jīng)計(jì)算得出各級(jí)承載力下的豎向壓縮變形率繪制成曲線如圖2 所示；可知，支座在設(shè)計(jì)豎向承載力4000kN 下的壓縮變形率為0.759%，符合技術(shù)規(guī)范要求（≯1%）。盆環(huán)徑向變形率為盆環(huán)徑向變形與盆環(huán)外徑之比，經(jīng)計(jì)算得出各級(jí)豎向承載力下的盆環(huán)徑向變形率繪制成曲線如圖3 所示。分析可知，當(dāng)支座在設(shè)計(jì)豎向承載力達(dá)到4000kN 時(shí)，盆環(huán)徑向變形率達(dá)到0.013‰，遠(yuǎn)小于技術(shù)規(guī)范要求（≯0.5‰）。

由上述計(jì)算結(jié)果可知該支座豎向承載力均可滿足技術(shù)規(guī)范要求，具有良好的承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向極限荷載性能。

圖2 豎向壓縮變形率曲線圖

圖3 盆環(huán)上口變形率曲線圖

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)支座進(jìn)行設(shè)計(jì)豎向荷載下的轉(zhuǎn)動(dòng)性能試驗(yàn)，進(jìn)行3 次試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算公式：

式中：M0—轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；

P—豎向荷載；

L—轉(zhuǎn)動(dòng)力臂。

由式（1）計(jì)算第1～3 次試驗(yàn)結(jié)果分別為：M01=75810.0、M02=75810.0、M03=75600.0；

轉(zhuǎn)動(dòng)力矩3 次試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果平均值為75740，可知滿足技術(shù)規(guī)范要求（＜79200），表明該支座在設(shè)計(jì)荷載作用下可保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)性能。

表2 分級(jí)加載下豎向壓縮變形/盆環(huán)徑向變形試驗(yàn)結(jié)果

表3 轉(zhuǎn)動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)支座進(jìn)行設(shè)計(jì)豎向荷載下的摩擦系數(shù)試驗(yàn)，進(jìn)行5 次試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4 所示，摩擦系數(shù)計(jì)算公式：

式中：μ—摩擦系數(shù)

N—剪切力

F—豎向壓力

由式（2）計(jì)算第1～5 次試驗(yàn)結(jié)果分別為：μ1=0.026、μ2=0.021、μ3=0.021、μ4=0.021、μ5=0.021；

選取摩擦系數(shù)第2～5 次試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的平均值為0.021，可知滿足技術(shù)規(guī)范要求（＜0.030）；表明了支座具有更優(yōu)的低摩擦系數(shù)與自潤(rùn)滑性能。

表4 摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

3 新型盆式球型鋼支座(CJPQGZ 型)在大嶺堡大橋的應(yīng)用

3.1 工程概況

大嶺堡大橋位于延崇高速公路河北段赤城縣，氣候較為寒冷，橋梁全長(zhǎng)337.75m；上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁，先簡(jiǎn)支后連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩。全橋共使用新型全壽命盆式球型鋼支座（CJPQGZ 型）156 個(gè)，其中固定型（GD）設(shè)置12 個(gè)，縱向活動(dòng)型（ZX）設(shè)置40 個(gè)、橫向活動(dòng)型（HX）設(shè)置24 個(gè)、多向活動(dòng)型（DX）設(shè)置80 個(gè)。

3.2 支座安裝前準(zhǔn)備工作

在該新型支座安裝前，對(duì)支座各部件外觀進(jìn)行檢查。然后對(duì)墊石表面進(jìn)行清理，保證梁底與墊石平行平整，支承墊石頂面任何兩個(gè)高差≤2mm。如果墊石標(biāo)高偏低，則在支座底襯墊相應(yīng)厚度鋼板；如果墊石標(biāo)高偏高，則用角磨機(jī)將高出的墊石混凝土磨掉；如果不平，用1～3mm 薄鋼板或環(huán)氧砂漿進(jìn)行調(diào)整。

3.3 支座的安裝工藝

該新型支座采用預(yù)留孔道與錨固螺栓的連接方式，在蓋梁頂面及支承墊石部位設(shè)置帶有PVC 套筒的預(yù)留孔道，安裝前將預(yù)留在墊石中PVC 套筒用電錘破碎并鑿毛孔壁，鑿毛支座就位接觸面的墊石表面，把預(yù)埋孔底的浮漿及雜物清理干凈，并將墊石表面噴水霧潤(rùn)濕（見(jiàn)圖4）。支座安裝前，為了確保支座的安裝位置準(zhǔn)確，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求在分別在支承墊石和支座上標(biāo)出位置中心線，并按設(shè)計(jì)要求正確放置盆式球型鋼支座的類型。支座安放時(shí)要求墩臺(tái)支座的中心線與支座底板的中心線對(duì)齊，且標(biāo)高符合設(shè)計(jì)要求，其四角高差應(yīng)≤2mm。采用高強(qiáng)度特種砂漿重力式灌注地腳螺栓孔及支座底板墊層。用小型機(jī)具把特種砂漿原料配比水混合攪拌均勻，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，留取試樣，估算所需漿液體積，備料充足后進(jìn)行一次灌滿，使灌漿料充分的和支座進(jìn)行接觸，排除空氣，灌注過(guò)程要連續(xù)避免中斷，觀察其漿體全部填充密實(shí)為止。支座安裝完畢后，檢查與支撐墊石是否平行以及平面位置、標(biāo)高是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，確認(rèn)無(wú)誤后，再落梁，支座順橋向中心線須與主墩中心線垂直或平行（見(jiàn)圖5）。

圖4 墊石鑿毛

圖5 支座底部安裝及灌漿完成

采用螺栓連接（或者焊接）的形式將支座與T 梁預(yù)埋鋼板連接牢固，當(dāng)使用焊接形式時(shí)，應(yīng)采用對(duì)稱斷續(xù)焊接方式并采取降溫措施，防止支座頂板過(guò)熱而損壞滑板和橡膠密封圈。當(dāng)梁體架設(shè)完畢后，需對(duì)支座作如下檢查：是否存在偏斜；是否與支撐墊石有脫開(kāi)；是否有開(kāi)裂（見(jiàn)圖6）。

圖6 支座安裝完成

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)新型盆式球型鋼支座（CJPQGZ 型）的力學(xué)性能試驗(yàn)、安裝工藝進(jìn)行研究，并在大嶺堡大橋工程進(jìn)行應(yīng)用，研究表明相對(duì)于常規(guī)的盆式橡膠支座和球形鋼支座具有性能優(yōu)、耐久性好的特點(diǎn)；同時(shí)該新型支座的承壓滑板采用了網(wǎng)狀分子聚四氟乙烯材料，具備優(yōu)異的耐磨性和抗壓強(qiáng)度，滿足支座100km 磨耗100 年使用壽命的需求，能夠使支座與橋梁達(dá)到同樣的使用年限，延長(zhǎng)了支座維護(hù)周期從而節(jié)約費(fèi)用，為普及和推廣在新建橋梁上使用提供一定的參考依據(jù)。