一種坡度自適應(yīng)球型支座的力學(xué)性能研究

尤福賀，杜海鑫，孫 堯，冀 祥，李明澤

(1.遼寧北方橡塑機(jī)械有限公司 沈陽市 110103； 2.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

在我國的公路橋梁建設(shè)中，橋梁球型支座和公路橋梁盆式支座，由于承載力高、質(zhì)量穩(wěn)定，已經(jīng)使用多年。在長期的使用過程中，一直存在橋墩偏位以及衍生病害。主要原因是橋梁施工過程中，對(duì)支座安裝的把控不到位，使支座的性能受限，造成橋梁病害的產(chǎn)生。急需一種新型支座，不僅能滿足橋梁對(duì)支座的使用要求，還能解決此類問題。坡度自適應(yīng)球型支座不僅能應(yīng)對(duì)建成項(xiàng)目的橋墩偏位問題，也能在新建項(xiàng)目中從根本上解決公路橋梁高墩偏位的問題，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。

1 支座設(shè)計(jì)

坡度自適應(yīng)球型支座在設(shè)計(jì)上做了兩個(gè)方面的改進(jìn)，即改變水平滑動(dòng)面的位置和改變限位結(jié)構(gòu)。

(1)改變水平滑動(dòng)面的位置。傳統(tǒng)球型支座水平滑動(dòng)面設(shè)置在支座上鋼板，支座產(chǎn)生位移時(shí)支座上水平鋼板隨著梁板位移，球冠襯板和下支座板固定在橋臺(tái)上靜止不動(dòng)。而坡度自適應(yīng)球型支座與傳統(tǒng)球型支座相反，水平滑動(dòng)面設(shè)置在支座下鋼板，支座產(chǎn)生位移時(shí)支座下水平鋼板不動(dòng)，梁板帶動(dòng)支座上鋼板和球冠襯板位移。與傳統(tǒng)球型支座比較優(yōu)點(diǎn)在于：傳統(tǒng)支座固定支點(diǎn)不變(球冠襯板靜止，沿支座軸線發(fā)生偏轉(zhuǎn))，支座產(chǎn)生較大位移時(shí)產(chǎn)生力矩，影響支座的豎向承載力和水平位移；坡度自適應(yīng)球型支座球冠襯板隨位移產(chǎn)生移動(dòng)，支點(diǎn)是變化的，因而不產(chǎn)生力矩，不影響支座承載力和位移，且支座的整體高度也不會(huì)發(fā)生變化。

(2)改變限位結(jié)構(gòu)。橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)對(duì)支座的外形尺寸進(jìn)行約束，在相同的尺寸約束下，通過限位方式的改變可以獲得更大尺寸的球冠襯板，支座的承載、轉(zhuǎn)動(dòng)等性能得到增強(qiáng)，主要是獲得更大的轉(zhuǎn)角。

該系列支座除了可滿足豎向承載力外，最大轉(zhuǎn)角可達(dá)0.05rad，摩擦系數(shù)不大于0.03。

坡度自適應(yīng)球型支座的構(gòu)造示意圖見圖1。支座由錨固件、下支座板、球冠襯板、上支座板、高分子材料滑板(平面和球面各一塊，以下簡稱滑板)、不銹鋼滑板、橡膠密封圈、臨時(shí)連接組件及防塵罩等部件組成。

坡度自適應(yīng)球型支座按其工作特性可分為固定型、單向型和多向型三種類型。單向型是通過在球冠襯板上設(shè)置導(dǎo)向槽，在下支座板中間設(shè)置導(dǎo)向鍵來約束支座進(jìn)行單向活動(dòng)。固定型是在球冠襯板上設(shè)置固定銷，在下支座板中間設(shè)置定位孔來約束支座的多向活動(dòng)，如圖2所示。

2 力學(xué)性能研究

在坡度自適應(yīng)球型支座的設(shè)計(jì)過程中，參照《橋梁支座》[1](第四版)中的第六章球面與柱面鋼支座中的參數(shù)和計(jì)算方法，對(duì)坡度自適應(yīng)球型支座進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析，包括剛性支承下坡度自適應(yīng)球型支座的應(yīng)力分布、彈性支承下坡度自適應(yīng)球型支座的應(yīng)力分布、坡度自適應(yīng)球型支座上支承混凝土應(yīng)力分布。

通過坡度自適應(yīng)球型支座的性能試驗(yàn)和有限元應(yīng)力分析，表明坡度自適應(yīng)球型支座的傳力可靠、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。它既具備盆式支座承載能力大、容許支座位移大等特點(diǎn)，而且能更好地適應(yīng)支座大轉(zhuǎn)角的需要。

某檢測機(jī)構(gòu)對(duì)坡度自適應(yīng)球型支座的力學(xué)性能進(jìn)行研究，研究內(nèi)容包括：基本力學(xué)性能、轉(zhuǎn)動(dòng)性能、摩擦裝置的性能。試驗(yàn)圖片見圖3，試驗(yàn)結(jié)果如表1，試驗(yàn)曲線見圖4、圖5。

圖3 力學(xué)性能試驗(yàn)現(xiàn)場照片

圖4 摩擦系數(shù)曲線

圖5 豎向變形曲線

根據(jù)檢測機(jī)構(gòu)的《坡度自適應(yīng)球型支座力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告》[2]，支座的力學(xué)性能、轉(zhuǎn)動(dòng)性能、摩擦裝置的性能均滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。

3 性能優(yōu)勢

坡度自適應(yīng)球型支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其擁有穩(wěn)定的性能。通過改變限位方式，同規(guī)格下可擁有更大的承載力和轉(zhuǎn)角。通過使用新型高分子滑板材料獲得更小的摩擦系數(shù)。下面對(duì)適用于公路橋梁的三種鋼支座進(jìn)行橫向?qū)Ρ?見表2)。

表1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

坡度自適應(yīng)球型支座作為傳統(tǒng)橋梁球型支座和公路橋梁盆式支座的對(duì)標(biāo)產(chǎn)品，擁有更小的體積、更大的轉(zhuǎn)角、更好的轉(zhuǎn)動(dòng)性能、更簡單的安裝工藝、更合理的結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，同時(shí)可滿足直、曲線橋梁對(duì)支座的性能需求。

該產(chǎn)品已在省級(jí)設(shè)計(jì)院研究課題中得到應(yīng)用，在遼寧省高速公路高墩糾偏應(yīng)急處理項(xiàng)目中，使用坡度自適應(yīng)球型支座對(duì)涉及的37個(gè)橋墩(共計(jì)7條高速，25座橋梁)上的原有盆式支座進(jìn)行替換。項(xiàng)目完成后的墩柱豎直度檢測過程中，也對(duì)新更換的支座進(jìn)行了調(diào)查。從現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)支座本身未見明顯的損壞和較大的縱向滑移；支座兩側(cè)水平液位計(jì)中氣泡基本處于中間位置。說明新支座應(yīng)用效果較好，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)梁底坡度。通過對(duì)橋墩糾偏前后豎直度對(duì)比看出，更換新支座后，主要問題是橋墩糾偏的均出現(xiàn)了不同程度的復(fù)位現(xiàn)象，個(gè)別橋墩的復(fù)位值達(dá)到糾偏值的70%以上。

表2 支座對(duì)比表

坡度自適應(yīng)球型支座不僅可以在建成項(xiàng)目中用來解決高墩偏位問題，也可作為升級(jí)迭代產(chǎn)品應(yīng)用在新建項(xiàng)目中，避免此類病害產(chǎn)生。