梁冰 上海鐵路局工務(wù)處

GTQZ球型支座縱向動載位移測試影響因素實例分析

梁冰 上海鐵路局工務(wù)處

金山鐵路黃浦江特大橋主橋的112m下承式簡支鋼桁梁，采用無豎桿整體節(jié)點平行弦三角桁架，正交異性板橋面，改進型GTQZ系列球型支座，是一種新型鐵路橋梁結(jié)構(gòu)，技術(shù)復(fù)雜，在通車前的動靜態(tài)試驗中，發(fā)現(xiàn)溫度對于支座動載位移產(chǎn)生了較大的影響，值得深入探討。

金山鐵路；特大橋；GTQZ球型支座；溫度應(yīng)變；動載位移

金山鐵路黃浦江特大橋位于上海市松江區(qū)境內(nèi)的黃浦江河段，橋址位于既有鐵路橋下游25m處。按Ⅰ級鐵路等級設(shè)計，設(shè)計速度為160km/h，設(shè)計活載為中-活載。正橋第51～54孔梁采用GTQZ球型支座，設(shè)計噸位2000t，第51～53孔固定支座設(shè)于上海南端，第54孔固定支座設(shè)于金山衛(wèi)端。正橋下部50#～54#橋墩均采用圓端形實體橋墩，φ1.5m鉆孔樁基礎(chǔ)。第51孔桁梁及測點布置見圖1。

圖1 正橋第51#孔桁梁及支座位移測點布置圖

1 GTQZ球型支座簡介

橋梁支座是傳遞橋梁荷載、實現(xiàn)橋梁位移的重要支承構(gòu)件，金山鐵路黃浦江大橋采用的特殊設(shè)計的GTQZ（鐵路連續(xù)梁橋）球型支座（見圖2）由于具有承載力高、傳力均勻、耐久性好等特點，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛被用在鐵路橋上。這種支座縱橋向設(shè)計位移可達(dá)100mm，一般設(shè)計摩擦系數(shù)常溫（－25℃至60℃）時，μ≤0.03。

圖2 GTQZ（鐵路連續(xù)梁橋）球型支座

2 問題的發(fā)現(xiàn)

動載試驗是特定編組試驗列車以不同速度通過試驗橋梁，進行動應(yīng)力、動位移、豎橫向振動的測定，以了解結(jié)構(gòu)的動力系數(shù)、振動特征（振幅、頻率、阻尼比）等，據(jù)以判斷結(jié)構(gòu)在動載作用下的工作狀態(tài)。本橋在進行動載試驗時，采用下行線列車跑車試驗，列車編組為DF4+7C70(滿載)+12C64(空車)編組，面向金山衛(wèi)方向。試驗列車速度等級為50、60、65、70、75、80km/h，每速度級各跑車2次。

在下行線動載編組試驗列車作用下，試驗對主橋第51孔鋼桁梁球型支座（51#墩上左側(cè)為縱向活動支座，右側(cè)為多向活動支座）縱向動位移和橫向動位移進行了測試，實測最大動位移見表1，動位移典型時程曲線見圖3。

表1 鋼桁梁活動支座動位移測試結(jié)果

圖3 支座位移典型時程曲線（V=75.3kmh）

根據(jù)測試結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)第1次動載試驗時實測縱向動位移明顯大于隨后各測次，這種不符合理論條件下支座縱向位移的情況，讓我們產(chǎn)生了很大的疑問。

3 情況分析

在排除儀器問題、測量誤差等因素的前提下，我們大膽猜想，產(chǎn)生這種情況的原因可能是初始狀態(tài)下，支座摩擦力在對梁體的伸縮產(chǎn)生了一定的限制作用，在列車對梁體進行動載加載時，這種臨時的平衡狀態(tài)產(chǎn)生了變化，但是梁體的伸長和縮短依然時刻受到支座摩阻力的影響。同時因為力的作用是相互的，支座的縱向位移也會因此受到梁體伸縮的影響。為了深入研究這種現(xiàn)象產(chǎn)生的根源，我們對鋼桁梁各工況下的梁體的伸縮變形進行了分析，如圖4所示。

圖4 各工況下鋼桁梁梁長變化圖

圖（a）為鋼桁梁常溫下原始長度。夜間降溫后，鋼梁縮短，如圖（b）所示，理論梁長由Lab縮短為Lac，但由于支座摩阻力、無縫線路長鋼軌縱向力等阻力的存在，實際梁長為Lad，Lcd部分即為阻力引起的梁長變化量。白天升溫后，鋼梁伸長，如圖（c）所示，理論梁長由Lac伸長至Laf，但由于阻力的存在，實際梁長為Lae，Lef部分即為阻力引起的梁長變化量。動載試驗在白天10∶20開始，動載試驗列車第1次通過鋼梁時，鋼梁伸長，如圖（d）所示，理論梁長由Laf伸長至Lah，但由于阻力的存在，實際梁長為Lag，Lgh即為阻力引起的梁長變化量。試驗列車出橋時，鋼梁縮短，如圖（e）所示，理論梁長由Lah縮短至Lai，但由于阻力的存在，實際梁長為Laj，Lij即為阻力引起的梁長變化量。試驗列車第2次經(jīng)過時，鋼梁伸長，如圖（f）所示，理論梁長由Lai伸長至Lam，但由于阻力的存在，實際梁長為Lak，Lkm即為阻力引起的梁長變化量。

鋼桁梁梁長變化受到的縱向阻力主要為支座摩阻力和無縫線路長鋼軌縱向力。本橋鋼桁梁采用道砟橋面，對活載作用下梁長變化有影響的無縫線路長鋼軌縱向力與鋼軌扣件的松緊程度、活載作用下梁長的變化量、道砟與橋面之間的摩阻力大小等因素有關(guān)。由于動載試驗荷載作用下實測支座縱向位移較?。ǔ?次試驗外，最大為0.571mm），故長鋼軌縱向力對梁長變化的影響較小，可忽略不計。本橋鋼桁梁采用球型支座，支座水平摩阻力與支座所受的豎向力及摩擦系數(shù)有關(guān)?；钶d作用時支座所承受的豎向力增加，該量值相對恒載引起的豎向力較小，為計算方便，忽略活載對支座水平摩阻力的影響。則加載前后支座摩阻力引起的位移量相等，即Lcd=Lef=Lgh=Lij=Lkm。

動載試驗列車第1次通過時，理論支座位移量Δ1理=Lfh= Lah-Laf，實測支座位移量Δ1實=Leg=Lag-Lae=（Lah-Lgh）-（Laf-Lef），而Lef=Lgh，所以Δ1實=Lah-Laf=Δ1理，實測支座位移量與理論支座位移量一致。試驗列車第2次通過時，理論支座位移量Δ2理= Lim=Lam-Lai，實測支座位移量Δ2實=Ljk=Lak-Laj=（Lam-Lkm）-（Lai+ Lij），而Lij=Lkm，所以Δ2實=Lam-Lai-2×Lij=Δ2理-2×Lij，實測支座位移量小于理論支座位移量。而由于動載試驗列車編組未改變，Δ1理=Δ2理，故Δ2實=Δ1實-2×Lij，由支座摩阻力引起的支座位移減小量Lij=（Δ1實-Δ2實）/2。現(xiàn)鋼梁左側(cè)Δ1實=2.427mm，Δ21實=0.334mm（取除第1測次外速度65km/h以上測次平均值），故由于支座摩阻力引起的支座位移減小量為1.047mm。

據(jù)此可估算支座摩擦系數(shù)。采用三維空間結(jié)構(gòu)模型，計算得到活動支座端產(chǎn)生1.047mm強制位移時的支座水平力F=573kN，而動載試驗列車偏載作用下的支座豎向力為N= 9492（恒載）+2369（活載）=11861kN。

（因本橋支座為特殊設(shè)計，實測摩擦系數(shù)比一般情況下系數(shù)較大）

4 結(jié)論與啟示

對比以往其他測試，其他類型的支座均不存在此類現(xiàn)象。由此分析可知，GTQZ球型支座較大的摩阻力和溫度應(yīng)變的共同作用下，梁體的伸縮和支座位移共形成了一個相互制約的共同體，在動活載加載情況下，梁體的溫度應(yīng)變伸縮和支座的位移摩阻相互影響，形成了一個“測不準(zhǔn)”模型，這種影響在第一次測試數(shù)據(jù)上明顯的體現(xiàn)出來。

梁體的溫度變形在實際生產(chǎn)中已經(jīng)得到了我們的普遍認(rèn)識，在滬寧城際望虞河特大橋抬梁期間筆者就曾遇到過梁體溫度變形引起支座螺栓孔錯位，導(dǎo)致不能順利抬梁的情況。但是，GTQZ球型支座較大的摩阻力影響下，梁體的自由伸縮變形受到較大影響，今后如果遇到此類支座抬梁施工時，如果施工溫度條件不利，抬梁的瞬間梁體受抑制的伸縮有可能產(chǎn)生較大的突變，這點需要引起我們橋梁工作者的高度重視。

責(zé)任編輯：宋飛 徐偉人
來稿時間：2014-2-10