基于根原因分析的橋梁支座優(yōu)化設(shè)計(jì)

姜文英，顧海龍，楊衛(wèi)鋒，李恒躍，宋建平

(中船雙瑞(洛陽(yáng))特種裝備股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

橋梁支座位于橋梁與橋墩之間，是傳遞橋梁載荷、實(shí)現(xiàn)橋梁伸縮變形和轉(zhuǎn)動(dòng)的核心“關(guān)節(jié)”構(gòu)件。橋梁支座受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材、加工制造、安裝施工、環(huán)境工況等因素影響，在使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)鋼部件裂損、脫焊、銹蝕、滑板擠出、位移超限、轉(zhuǎn)角超限、螺栓剪斷、座板與梁底及支承墊石不密貼等病害型式，造成支座性能劣化甚至失效。根據(jù)Q/CR 405.3—2016鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定第3部分：支座標(biāo)準(zhǔn)，在上述支座病害型式中，滑板擠出達(dá)到AA(極嚴(yán)重)劣化等級(jí)，一旦發(fā)生，支座將喪失正?；苹蜣D(zhuǎn)動(dòng)功能，危及橋梁安全，需立即進(jìn)行支座更換[1-3]。支座滑板擠出主要表現(xiàn)為：支座非金屬滑板從鑲槽中脫出，并向外滑移出支座承載區(qū)域，支座滑板擠出見(jiàn)圖1。

支座滑板擠出會(huì)嚴(yán)重影響支座的功能，為解決該問(wèn)題，首先需找到問(wèn)題發(fā)生的根本原因，有針對(duì)性地尋找解決方法和措施。而TRIZ理論提供了一套成熟的解決問(wèn)題的方法，本文嘗試采用該理論去解決支座滑板擠出問(wèn)題。

TRIZ理論是俄文中發(fā)明問(wèn)題解決理論的縮寫(xiě)，由蘇聯(lián)專家Altshuller及其團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建，為發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題提供了系統(tǒng)的理論和方法工具[4-6]。TRIZ理論體系中，解決發(fā)明問(wèn)題的核心是解決系統(tǒng)沖突，而解決系統(tǒng)沖突的前提是發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)沖突。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)沖突的方法主要有根原因分析、物質(zhì)-場(chǎng)分析、質(zhì)量功能展開(kāi)、公理設(shè)計(jì)等，其中根原因分析是通過(guò)分析問(wèn)題與原因之間的因果關(guān)系，確定與問(wèn)題相關(guān)的系統(tǒng)元件，通過(guò)各元件之間的相互關(guān)系來(lái)確定系統(tǒng)沖突，并提出相應(yīng)的解決措施[7]。目前，在工程技術(shù)領(lǐng)域中，根原因分析的工具主要包括因果軸分析法、矩陣分析法、5-why分析法、魚(yú)骨圖分析法及故障樹(shù)分析法等，其中5-why分析法針對(duì)特征事實(shí)，通過(guò)逐層遞進(jìn)式的詢問(wèn)并解答的方式，逐步確定問(wèn)題的根本原因，并提出相應(yīng)的解決措施，具有簡(jiǎn)單、實(shí)用的特點(diǎn)。

本文應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論，針對(duì)橋梁支座滑板擠出的問(wèn)題，采用5-why分析法工具進(jìn)行根原因分析，找到問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因，指導(dǎo)支座創(chuàng)新設(shè)計(jì)，減少滑板擠出病害的發(fā)生幾率，提高產(chǎn)品質(zhì)量可靠性。

1 根原因分析

橋梁支座安裝在梁體和橋墩之間，主要由上座板、中座板、下座板、平面摩擦副和球面摩擦副組成，支座結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

根據(jù)橋梁支座的安裝位置、支座結(jié)構(gòu)及外部環(huán)境分析，確定系統(tǒng)元件，建立功能模型，見(jiàn)圖3。

根據(jù)圖3所示，制品為支座；系統(tǒng)元件包括上座板、平面不銹鋼板、平面非金屬滑板、中座板、球面不銹鋼板、球面非金屬滑板、下座板；超系統(tǒng)包括橋墩和梁體。平面及球面非金屬滑板鑲嵌在約束坑中，與平面及球面不銹鋼板形成摩擦副，兩者之間在潤(rùn)滑條件下通過(guò)摩擦滑移實(shí)現(xiàn)支座的滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。外部環(huán)境對(duì)摩擦副有影響的主要是空氣中的灰塵、施工遺留的雜物以及安裝施工時(shí)不銹鋼表面黏附的涂料或混凝土等污染物。因此，根據(jù)功能模型，確定沖突區(qū)域主要在于不銹鋼板/非金屬滑板/滑板約束坑之間。

本文所要解決的特征事實(shí)是滑板從約束坑中擠出，采用5-why分析法對(duì)沖突區(qū)域進(jìn)行分析，通過(guò)逐層詢問(wèn)最終找到問(wèn)題的根源。F摩擦代表不銹鋼板/非金屬滑板組成的摩擦副之間的摩擦阻力，F(xiàn)約束代表支座座板約束坑對(duì)非金屬滑板的約束力，正常情況下F摩擦F約束的情況，此時(shí)滑板就會(huì)擠出。詢問(wèn)過(guò)程如下：

1)為什么滑板受到的摩擦力會(huì)大于滑板受到的約束力？

A1.1摩擦副之間摩擦力加大；A1.2滑板所受約束力不足。

2)為什么摩擦副之間的摩擦力會(huì)增加？為什么滑板約束力會(huì)不足？

A2.1摩擦副之間進(jìn)入異物；A2.2潤(rùn)滑失效；A2.3滑板約束結(jié)構(gòu)不合理。

3)為什么摩擦副間會(huì)進(jìn)入異物？為什么潤(rùn)滑會(huì)失效？為什么滑板約束結(jié)構(gòu)不合理？

A3.1焊縫進(jìn)入摩擦副之間；A3.2不銹鋼滑動(dòng)面受到污染；A3.3潤(rùn)滑脂發(fā)生損耗；A3.4滑板采用整板鑲嵌結(jié)構(gòu)。

4)為什么焊縫會(huì)進(jìn)入摩擦副間？為什么不銹鋼滑動(dòng)面會(huì)被污染？為什么潤(rùn)滑脂會(huì)發(fā)生損耗？為什么滑板采用整板鑲嵌結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)約束力不足？

A4.1支座滑動(dòng)位移或轉(zhuǎn)角超限，導(dǎo)致焊縫滑入摩擦副之間；A4.2不銹鋼滑動(dòng)面沾染混凝土、油漆、灰塵等未及時(shí)清理；A4.3潤(rùn)滑脂混入雜質(zhì)，或在壓力作用下基礎(chǔ)油流失；A4.4非金屬滑板在載荷作用下會(huì)發(fā)生變形和蠕變等現(xiàn)象，滑板外露部分在邊緣處會(huì)發(fā)生一定變形，當(dāng)局部受力過(guò)大時(shí)，整板鑲嵌結(jié)構(gòu)的滑板邊緣處變形量會(huì)不斷增大，滑板受力示意見(jiàn)圖4。

5)為什么支座滑動(dòng)位移或轉(zhuǎn)角會(huì)超限？為什么不銹鋼滑動(dòng)面會(huì)沾染混凝土、油漆、灰塵等未及時(shí)清理？為什么潤(rùn)滑脂混入雜質(zhì)或在壓力作用下發(fā)生基礎(chǔ)油流失后潤(rùn)滑性能會(huì)下降？為什么滑板局部會(huì)受力過(guò)大？

A5.1安裝時(shí)消除溫度位移考慮不充分，或者實(shí)際位移超出設(shè)計(jì)位移；A5.2安裝時(shí)支座連接裝置提前解鎖或松動(dòng)導(dǎo)致支座發(fā)生偏轉(zhuǎn)，或者實(shí)際轉(zhuǎn)角超出設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角；A5.3摩擦副未設(shè)置密封圈或密封結(jié)構(gòu)不合理，且維養(yǎng)不到位；A5.4潤(rùn)滑脂性能有待提高；A5.5安裝時(shí)偏載會(huì)使局部豎向載荷過(guò)大，或者摩擦力增大使滑板局部受水平載荷過(guò)大，導(dǎo)致變形量增大。

根據(jù)上述分析，滑板從約束坑中擠出的根原因結(jié)果是：滑板所受摩擦力增大，約束力不足，最終導(dǎo)致滑板從變形處擠出。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)安裝時(shí)消除溫度位移考慮不充分、支座發(fā)生偏轉(zhuǎn)，或支座設(shè)計(jì)位移、轉(zhuǎn)角小于實(shí)際需求，導(dǎo)致不銹鋼焊縫進(jìn)入摩擦副之間，摩擦力過(guò)大。

2)安裝或運(yùn)行時(shí)支座發(fā)生偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致摩擦副局部受力過(guò)大，滑板變形量增大。

3)摩擦副受到污染，潤(rùn)滑脂耐久性不足，摩擦力過(guò)大。

4)整板鑲嵌結(jié)構(gòu)在局部受力過(guò)大時(shí)滑板邊緣處變形量過(guò)大，約束力不足。

2 根本解決措施

2.1 提高非金屬滑板約束力

提高滑板約束力的措施主要有兩條：一是提高滑板的側(cè)面約束面積與表面積之間的比值；二是提高滑板與座板約束坑之間的黏結(jié)強(qiáng)度。

1)提高滑板約束面積與表面積之間的比值。

提高滑板約束面積與表面積之間的比值主要措施是改變滑板的鑲嵌結(jié)構(gòu)，采用分片鑲嵌形式代替整板鑲嵌形式，提高滑板的約束面積，進(jìn)而提高約束面積與表面積之間的比值，從而提高滑板的約束力。目前在豎向承載力小于12 500 kN的支座結(jié)構(gòu)中，滑板一般采用整板鑲嵌的約束形式；在豎向承載力大于12 500 kN的大噸位支座結(jié)構(gòu)中，滑板則采用分片鑲嵌的約束形式來(lái)進(jìn)一步提高約束力。綜合考慮滑板承載力和約束面積比，也可在支座設(shè)計(jì)中采用整板與分片組合鑲嵌的約束形式[8-9]，結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖5。

以豎向承載力為50 000 kN的球型支座為例，計(jì)算不同約束形式下滑板的側(cè)面約束面積與表面積之間的比值，如表1所示。

表1 不同約束形式下滑板的約束面積情況

從表1可以看出，整板鑲嵌承壓圓直徑最小，支座尺寸最小，但側(cè)面約束面積與表面積比值最低；分片鑲嵌承壓圓直徑最大，支座尺寸偏大，但側(cè)面約束面積與表面積比值最高，滑板約束能力最強(qiáng)；而整板+分片鑲嵌各項(xiàng)數(shù)值居中，約束能力高于整板鑲嵌，尺寸也小于分片鑲嵌。因此，采用整板與分片組合鑲嵌的約束形式時(shí)綜合性能最優(yōu)。

2)提高滑板與座板約束坑之間的黏結(jié)力。

在滑板黏結(jié)時(shí)，聚四氟乙烯滑板黏結(jié)面需進(jìn)行鈉萘處理，改性超高分子量聚乙烯滑板黏結(jié)面需進(jìn)行拉毛處理，然后采用熱固性的環(huán)氧類膠黏劑進(jìn)行黏結(jié)，剝離黏合強(qiáng)度不小于5.0 kN/m。

2.2 減小摩擦副間的摩擦力

1)防止雜質(zhì)進(jìn)入摩擦副，減小摩擦力。

球型支座采用分部密封的雙密封環(huán)的密封方式，如圖6所示。在摩擦副周圍應(yīng)設(shè)置與非金屬滑板同材質(zhì)的密封圈，兩者變形量相當(dāng)，能夠有效防止硅脂流失及外部雜質(zhì)混入，從而使摩擦性能穩(wěn)定不變，滿足長(zhǎng)期使用的要求。在安裝過(guò)程中應(yīng)注意密封環(huán)接口處理方式，避免間隙過(guò)大。

2)避免支座位移超限時(shí)不銹鋼焊縫滑入摩擦副中。

支座在出廠時(shí)可根據(jù)設(shè)計(jì)提前進(jìn)行預(yù)偏，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝。長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁橋因橋梁跨數(shù)多、聯(lián)長(zhǎng)長(zhǎng)、施工周期長(zhǎng)，已經(jīng)合龍完成的梁體在溫度、混凝土收縮徐變等因素影響下會(huì)產(chǎn)生縱向變形，導(dǎo)致橋墩活動(dòng)支座的位移量大，橋梁支座所需預(yù)偏量較大[10]。為避免支座位移超限時(shí)不銹鋼與座板焊縫滑入摩擦副中導(dǎo)致摩擦系數(shù)急劇增大，支座出廠時(shí)需根據(jù)梁體偏移情況精確計(jì)算預(yù)偏量或增設(shè)預(yù)偏結(jié)構(gòu)，以滿足大調(diào)偏量的需求。

3)優(yōu)化潤(rùn)滑體系，保持摩擦系數(shù)穩(wěn)定。

結(jié)合支座使用工況，可在潤(rùn)滑體系方面進(jìn)一步優(yōu)化。針對(duì)大跨度橋梁，支座摩擦副滑移量大，可考慮增加注脂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，定期對(duì)潤(rùn)滑脂進(jìn)行補(bǔ)充，保持較低的摩擦系數(shù)。采用性能更優(yōu)的鋰基潤(rùn)滑脂，減小環(huán)境因素影響，提高潤(rùn)滑的可靠性。另外，應(yīng)注意定期對(duì)不銹鋼板表面進(jìn)行清理，減小灰塵雜質(zhì)污染摩擦副的幾率，每年至少1次。

2.3 安裝時(shí)防止偏轉(zhuǎn)，支座運(yùn)行時(shí)避免局部過(guò)大偏載

由于支座安裝時(shí)臨時(shí)聯(lián)接螺栓未鎖緊或支座提前解鎖，支座在上部梁體的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，造成支座轉(zhuǎn)角超限，一方面會(huì)導(dǎo)致座板之間局部間隙過(guò)大，滑板易脫出約束坑；另一方面會(huì)導(dǎo)致球面不銹鋼板焊縫可能進(jìn)入摩擦副之間，使轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)摩擦系數(shù)增大。因此，在支座安裝時(shí)應(yīng)避免支座發(fā)生偏轉(zhuǎn)，一方面要求支座臨時(shí)聯(lián)接螺栓在成橋前禁止松動(dòng)、拆除；另一方面可通過(guò)增設(shè)臨時(shí)鎖定裝置等措施，防止在梁體施工及安裝過(guò)程中由于外力引起的支座轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 支座設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)支座滑板擠出問(wèn)題，采用上述根原因分析得出的解決措施，完成了一種新型高承載球型支座的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究。該支座主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)包括：采用分片鑲嵌+中心滑板鑲嵌的約束形式，提高滑板的約束力；采用雙密封環(huán)的密封方式，能夠有效防止硅脂流失及外部雜質(zhì)混入；選用優(yōu)質(zhì)潤(rùn)滑脂，保證潤(rùn)滑性能的穩(wěn)定；預(yù)留補(bǔ)充硅脂通道，提升持久潤(rùn)滑能力；上、下座板間采用板栓連接結(jié)構(gòu)，連接板沿位移方向開(kāi)設(shè)腰形孔，使支座具備位移調(diào)整鎖定功能；在上座板下底面與下座板上平面之間四角設(shè)置防傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使支座在安裝時(shí)具備防傾轉(zhuǎn)功能。

新型高承載支座結(jié)構(gòu)如圖7所示。

根據(jù)GB/T 17955—2009橋梁球型支座、TB/T 3320—2013鐵路橋梁球型支座，開(kāi)展新型高承載支座豎向承載力試驗(yàn)、摩擦系數(shù)試驗(yàn)、潤(rùn)滑脂補(bǔ)充試驗(yàn)以及吊裝調(diào)平工藝試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)可靠性，見(jiàn)表2。

表2 新型高承載支座試驗(yàn)結(jié)果

新型高承載支座各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，表明該支座結(jié)構(gòu)合理，具備高承載、低摩擦等特性，性能可靠性高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用TRIZ創(chuàng)新理論，對(duì)橋梁支座非金屬滑板擠出問(wèn)題進(jìn)行深入分析，找到問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因是滑板受到的摩擦力大于約束力，并提出了提高約束力、減小摩擦力、避免偏轉(zhuǎn)等根本解決措施，可以用于指導(dǎo)橋梁支座在滑板選型、約束形式設(shè)計(jì)、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝控制等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用本文創(chuàng)新方法設(shè)計(jì)的新型高承載支座已在國(guó)內(nèi)某工程應(yīng)用，解決了原工程支座滑板擠出的病害。