臧曉秋

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 球型鋼支座概述

球型鋼支座是20世紀70年代在盆式橡膠支座基礎(chǔ)上研制成功的一種新型橋梁支座，經(jīng)過多年發(fā)展，其設(shè)計理論、生產(chǎn)和檢驗技術(shù)已日趨成熟，并大量應(yīng)用于國外公路和鐵路橋梁。球型鋼支座的優(yōu)點有:①支座部件無橡膠材料，不存在橡膠質(zhì)量難控制和易老化問題;②傳力路線簡潔明確，無應(yīng)力集中;③通過平面摩擦副和球面摩擦副之間滑動來提供支座的平面位移和轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)動阻力更小，轉(zhuǎn)動更靈活;④滑板材料選用承載能力高、耐磨性好的新型滑動材料，可有效減小支座尺寸，提高產(chǎn)品的性價比;⑤新型滑板材料的各項性能指標受環(huán)境溫度變化的影響較小，溫度適應(yīng)性更好，可在－50℃～+60℃溫度條件下正常工作，適用于我國南方、北方等不同區(qū)域。在2010年以前，我國的工程設(shè)計人員將球型鋼支座更多地用于環(huán)境要求高、跨度大和重要性強的橋梁項目，如東海大橋、杭州灣跨海大橋、青島海灣大橋、南京大勝關(guān)長江大橋和拉薩河大橋等跨江、跨海橋梁，尚未大面積用于新建鐵路簡支梁橋。

針對常用跨度鐵路簡支梁的安裝接口、梁端轉(zhuǎn)角以及線路坡度進行了球型鋼支座的適應(yīng)性研究，進一步驗證了球型鋼支座可以很好地滿足鐵路簡支梁橋的使用要求，可在我國的鐵路建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。

2 球型鋼支座結(jié)構(gòu)選型

球型鋼支座按其水平方向的位移特性可分為固定支座、單向活動支座和多向活動支座。各類型支座均可承受豎向荷載，并具有轉(zhuǎn)動功能。除此以外，固定支座可承受各向水平荷載，但不發(fā)生水平位移;單向活動支座可承受限位方向的水平荷載，并適應(yīng)非限位方向的水平位移;多向活動支座可適應(yīng)各向水平位移。

2．1 固定支座

固定球型鋼支座的構(gòu)造形式有2種:即滑動面固定支座和限位環(huán)固定支座?；瑒用婀潭ㄖё赏骨蛎驿摪?、凹球面鋼板和兩者之間的滑動摩擦副組成，滑動摩擦副由球面不銹鋼板和球面滑板構(gòu)成，見圖1?；瑒用婀潭ㄖёㄟ^凹球面、凸球面間的相互制約進行限位，通過滑動摩擦副的相對滑動適應(yīng)梁體的轉(zhuǎn)角?；瑒用婀潭ㄖё哪Σ撩娉惺艽瓜蚝奢d外，還承受水平荷載，該種荷載對球面滑板產(chǎn)生不均勻壓應(yīng)力，導(dǎo)致局部應(yīng)力提高，引起滑板的不均勻變形，影響支座的長期使用性能，因此，鐵路簡支梁橋用固定球型鋼支座不宜采用該種構(gòu)造。`

圖1 滑動面固定支座

限位環(huán)固定支座由上支座板(附帶平面不銹鋼板)、平面滑板、球冠襯板(附帶球面不銹鋼板)、球面滑板、下支座板等部件組成，整個支座具有2個摩擦副:平面不銹鋼板與平面滑板形成的滑動摩擦副、球面滑板與球面不銹鋼板形成的轉(zhuǎn)動摩擦副，見圖2。該種固定支座通過上支座板的限位環(huán)承受和傳遞水平荷載，平面和球面滑板僅承受和傳遞豎向荷載，滑板受力均勻，同時轉(zhuǎn)動摩擦副可適應(yīng)梁體的轉(zhuǎn)角，平面摩擦副可調(diào)整上支座板與下支座板間間隙的大小，防止出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。該構(gòu)造形式部件受力明確、傳力可靠，可有效改善滑板的受力狀態(tài)，提高支座產(chǎn)品的整體耐久性，因此更適用于鐵路簡支梁橋的使用要求。

圖2 限位環(huán)固定支座

2．2 單向活動支座

單向活動球型鋼支座的構(gòu)造形式有2種:即中間導(dǎo)向型和側(cè)向?qū)蛐?。中間導(dǎo)向的單向活動支座通過球冠襯板上平面的擋塊與上支座板的凹槽相配合形成導(dǎo)向功能，見圖3。該種構(gòu)造將平面滑板、平面不銹鋼板分成了兩部分，材料整體性較差，同時增加了加工工序。另外，為了機加工方便，凸臺部分通常采用螺栓或銷釘與球面襯板連接，傳遞水平力的能力受螺栓或銷釘?shù)某休d力和數(shù)量影響較大。同時上支座板由于凹槽的構(gòu)造和傳力要求往往較厚，支座的整體高度相對增加，造價提高，經(jīng)濟性差。因此，鐵路簡支梁橋用單向活動球型鋼支座不宜采用中間導(dǎo)向構(gòu)造。

圖3 中間導(dǎo)向的球型鋼支座

側(cè)向?qū)虻膯蜗蚧顒又ёㄟ^上支座板兩側(cè)的通長擋塊與下支座板的側(cè)向凸臺形成導(dǎo)向功能，見圖4。該構(gòu)造中的平面滑板、平面不銹鋼板均為整體部件，工序簡潔，加工安裝方便，且側(cè)向擋塊與上支座板間無焊縫、無螺栓和銷釘連接，整體性好，傳力可靠，同時支座的整體高度較低，重量輕，經(jīng)濟性好。因此更適用于鐵路簡支梁橋的使用要求。

圖4 側(cè)向?qū)虻那蛐弯撝ё?/p>

通過以上選型可知，鐵路簡支梁橋用球型鋼支座應(yīng)采用由上支座板、平面不銹鋼板、平面滑板、球面不銹鋼板、球冠襯板、球面滑板、下支座板、密封裝置等部件組成的側(cè)向?qū)虻慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)造，見圖5。該構(gòu)造可提高球型鋼支座的可靠性、安全性、經(jīng)濟性及耐久性，為橋上線路的長期正常運營提供技術(shù)保障。

圖5 球型鋼支座構(gòu)造

3 球型鋼支座耐久性

球型鋼支座耐久性的決定因素是滑板材料的性能。橋梁支座常用的滑板材料有聚四氟乙烯和改性超高分子量聚乙烯。聚四氟乙烯在我國橋梁支座中應(yīng)用最早、用量最多，改性超高分子量聚乙烯是近年新興的一種滑板材料，在德國、意大利等國的橋梁支座產(chǎn)品中應(yīng)用較多。鐵路簡支梁橋球型鋼支座的滑板材料選擇了改性超高分子量聚乙烯。首先:該種材料的容許設(shè)計應(yīng)力高，為聚四氟乙烯的1．5倍。其次，該種材料的耐磨耗性能優(yōu)異。德國斯圖加特大學(xué)材料試驗室對德國毛勒公司生產(chǎn)的改性超高分子量聚乙烯MSM的耐磨耗性能進行過系統(tǒng)試驗。該材料在60 MPa應(yīng)力條件下以15 mm/s的位移速度累計滑動50 km后，板材表面未見明顯磨損。我國科研人員在將改性超高分子量聚乙烯用于球型鋼支座時也對其進行了50 km磨耗試驗，試驗結(jié)果與德國斯圖加特大學(xué)的試驗結(jié)果一致。相比較而言，聚四氟乙烯適應(yīng)高應(yīng)力、快速度、長距離的能力較差，磨耗率高，其磨耗率隨正應(yīng)力和位移速度的提高而直線增加，當應(yīng)力 ＞36 MPa、位移速度 ＞8 mm/s時磨耗率遠大于改性超高分子量聚乙烯。另外，改性超高分子量聚乙烯具有良好的溫度適應(yīng)性，在－50℃～+60℃的試驗溫度范圍內(nèi)，其拉伸強度和扯斷伸長率均滿足技術(shù)要求，且磨耗率和摩擦系數(shù)均較低，性能保持穩(wěn)定。因此，該種材料可以滿足不同溫度環(huán)境內(nèi)的使用要求，無論是在東北雪原、西北大漠還是在炎炎烈日包圍的南方，改性超高分子量聚乙烯都可以發(fā)揮優(yōu)異的性能，并提升了球型鋼支座的整體耐久性，可實現(xiàn)與橋梁等壽命。

4 球型鋼支座簡支梁橋安裝接口的適應(yīng)性研究

我國新建鐵路線運行速度在200 km/h以上，車輛密度大，運營要求較高，用于檢查、維修的時間有限。因此，在新線建設(shè)中，簡支梁橋大量地采用了等跨標準梁型，截面相同、構(gòu)造統(tǒng)一，采取現(xiàn)場工廠化預(yù)制，效率高，便于施工、質(zhì)量控制和檢查維修。由于該種梁型結(jié)構(gòu)的固定化，使得與之配套使用的橋梁支座必須以其為基準，在構(gòu)造及安裝尺寸上與標準梁的預(yù)留尺寸相一致，否則將影響到施工進度和支座正常功能的發(fā)揮。現(xiàn)階段標準梁通用參考圖中支座安裝接口的尺寸是根據(jù)盆式橡膠支座的平面尺寸確定的，而相同設(shè)計荷載下球型鋼支座的平面尺寸比盆式橡膠支座小得多，因此給球型鋼支座的安裝提供了較大的適應(yīng)空間，只要保證球型鋼支座的上支座尺寸小于梁底預(yù)埋鋼板的尺寸，而錨固螺栓孔位置與梁底預(yù)埋鋼板保持一致即可順利安裝?？紤]到未來的發(fā)展和經(jīng)濟性要求，還可對球型鋼支座進行優(yōu)化設(shè)計，使其結(jié)構(gòu)更緊湊，尺寸更合理，并在此基礎(chǔ)上推進標準梁通用圖中支座安裝接口的合理設(shè)計，從而節(jié)約成本，降低工程造價。

5 球型鋼支座簡支梁橋梁端轉(zhuǎn)角的適應(yīng)性

鐵路橋梁的梁端豎向轉(zhuǎn)角(θ1，θ2)通常由恒載、活載、預(yù)應(yīng)力徐變上拱及預(yù)設(shè)上拱度等因素引起，其中恒載和活載是決定因素。在我國現(xiàn)行鐵路設(shè)計標準中，由豎向靜活載引起的梁端豎向轉(zhuǎn)角最大值應(yīng)滿足:θ≤3．0 ×10－3rad，θ1+ θ2≤6．0 ×10－3rad。見圖 6。

圖6 梁端轉(zhuǎn)角示意

由以上數(shù)值可知，鐵路橋梁豎向靜活載引起的梁端豎向轉(zhuǎn)角較小，而實橋設(shè)計時轉(zhuǎn)角控制值均偏于安全，考慮動力系數(shù)的影響后梁端轉(zhuǎn)角 θ不超過5．0×10－3rad。由于恒載在豎向設(shè)計荷載中所占比例通常在60%左右，因此由恒載引起的梁端轉(zhuǎn)角可按1．5倍的活載轉(zhuǎn)角計算，最大不超過8．0×10－3rad?？紤]安裝偏差引起的梁端初始轉(zhuǎn)角0．5×10－3及預(yù)留的轉(zhuǎn)角余量0．5×10－3rad后，鐵路簡支梁橋梁端豎向轉(zhuǎn)角的最大值為14×10－3rad。球型鋼支座對梁端豎向轉(zhuǎn)角的適應(yīng)能力是由其設(shè)計轉(zhuǎn)角的大小決定的，目前國內(nèi)、外標準規(guī)定的球型鋼支座最小設(shè)計轉(zhuǎn)角為20×10－3rad，針對鐵路簡支梁橋的使用要求具有充足的安全儲備。同時球型鋼支座的設(shè)計轉(zhuǎn)角可進一步提高，現(xiàn)階段球型鋼支座的設(shè)計轉(zhuǎn)角最大可達到60×10－3rad，以滿足不同橋梁的使用要求。因此，球型鋼支座能適應(yīng)鐵路簡支梁橋的梁端轉(zhuǎn)角要求，并可發(fā)揮轉(zhuǎn)動靈活的特點，減小轉(zhuǎn)動引起的附加彎矩對梁體本身的影響。

6 球型鋼支座簡支梁橋線路坡度的適應(yīng)性研究

使用球型鋼支座的鐵路橋梁可采用在梁底支點處預(yù)設(shè)楔塊或在支座上座板表面預(yù)設(shè)坡的方式來調(diào)整梁體頂面的縱坡以適應(yīng)線路的坡度。采用在梁底支點處預(yù)設(shè)楔塊時，應(yīng)在預(yù)制或現(xiàn)場澆筑梁體前調(diào)整梁底模板的布置以形成預(yù)設(shè)坡度的混凝土楔塊，該楔塊底面平整，并與支座進行正常連接。采用該種調(diào)坡方式時，支座本體可不做任何改變，但對梁底模板的布置精度要求較高，當線路坡度分級較多、梁體數(shù)量較大時，不利于批量生產(chǎn)，且容易出錯，給整個工程造成不必要的經(jīng)濟損失。在球型鋼支座上座板表面設(shè)坡是一種簡單、經(jīng)濟、有效的方法，在保證支座板縱向中心處厚度不變的情況下通過機加工形成縱坡。該步驟在支座加工廠內(nèi)完成，操作簡單、易于控制，并且通過對線路坡度的合理分級，可簡化加工工藝和質(zhì)量控制程序。采用該方式調(diào)整線路坡度時，梁體模板不必進行特殊布置，可有效提高制梁、架梁效率，節(jié)省施工工期。為了避免上支座板縱向兩端的厚度相差較大而引起滑板等部件的受力不均，影響支座的整體性能，采用該方法調(diào)坡的最大坡度不宜超過30‰。

由于線路坡度的大小對線路的走向、長度、工程投資、運營費用、牽引重量及運輸能力都有較大的影響，因此，新建線路的坡度大部分在30‰以內(nèi)，30‰以上坡度的線路在總里程中所占的比例極小。針對該種情況，在球型鋼支座上支座板預(yù)設(shè)坡的調(diào)坡方式可滿足鐵路簡支梁橋適應(yīng)線路縱坡的使用要求，大大節(jié)省制梁的工期，有利于施工進度的控制。

7 結(jié)語

通過以上分析可知，用于鐵路簡支梁橋的球型鋼支座具有結(jié)構(gòu)的科學(xué)性、材料的先進性、性能的穩(wěn)定性及良好的耐久性，完全適應(yīng)現(xiàn)有鐵路簡支梁的安裝接口、梁端轉(zhuǎn)角以及線路坡度，并可實現(xiàn)與既有線橋梁支座的互換，可在新線建設(shè)及既有線改造中發(fā)揮更大的作用。

［1］鄭?。袊咚勹F路橋梁［M］．北京:高等教育出版社，2008．

［2］莊軍生．橋梁支座［M］．北京:中國鐵道出版社，2004．

［3］劉廣健．超高分子量聚乙烯［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001．

［4］中華人民共和國鐵道部．TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)［S］．北京::中國鐵道出版社，2009．