陳朝輝 鄭為偉 顏亮亮

中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，上海 200071

支座是將橋梁上部結(jié)構(gòu)承受的荷載傳遞到下部結(jié)構(gòu)并具有適應(yīng)橋跨變位功能的重要結(jié)構(gòu)，對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)具有重要的作用。在橋梁設(shè)計(jì)和計(jì)算中，一般不考慮支座摩阻力對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，然而支座摩擦阻力客觀存在，現(xiàn)行橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范均給出了支座摩阻力系數(shù)的推薦參考值：對(duì)于連續(xù)結(jié)構(gòu)橋墩及基礎(chǔ)，計(jì)算恒載作用下支座摩擦阻力作用時(shí)，橡膠支座、平板支座及弧形支座摩阻系數(shù)為0.1~0.2，輥軸（搖軸）支座摩阻系數(shù)為0.05［1］；滾動(dòng)支座或擺動(dòng)支座摩阻系數(shù)為0.05［2］。規(guī)范對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)受力計(jì)算進(jìn)行了規(guī)定，然而對(duì)上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形未涉及。由于作用力與反作用力的關(guān)系，實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)中支座摩擦阻力對(duì)上部結(jié)構(gòu)必將產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)大跨度橋梁-軌道系統(tǒng)的伸縮附加力和斷軌附加力有較大影響［3］。同時(shí)，梁體會(huì)產(chǎn)生軸力和初始偏心彎距，在超靜定結(jié)構(gòu)中還會(huì)引起二次內(nèi)力［4-5］。支座摩阻力對(duì)混凝土連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力有可能達(dá)到恒載應(yīng)力的5%以上，因此完全忽略支座摩阻力是不安全的［6］。

實(shí)際橋梁中支座摩擦阻力和養(yǎng)護(hù)條件密切相關(guān)，如鋼支座活動(dòng)部件制造工藝、潤(rùn)滑作用、潤(rùn)滑油有無(wú)老化、灰塵有無(wú)積聚等。若養(yǎng)護(hù)部門對(duì)支座的養(yǎng)護(hù)不夠重視，支座摩阻系數(shù)增大，甚至?xí)鲈O(shè)計(jì)值或參考值，活動(dòng)性能也將大大降低。特別是長(zhǎng)大多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，支座摩阻力對(duì)上部結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生很大的影響，而橋梁設(shè)計(jì)時(shí)未考慮。國(guó)內(nèi)關(guān)于支座摩阻力對(duì)鋼桁梁橋上部結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響鮮有論述。

本文對(duì)既有鐵路五孔連續(xù)鋼桁梁進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)值和理論計(jì)算值分析支座摩擦阻力對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)受力的影響。

1 工程概況

既有鐵路一座下承式鉚焊連續(xù)鋼桁梁于1975 年建成，跨徑組合為5×80 m（圖1），主桁為平弦三角形體系，主桁中心距為10 m，桁高12.8 m，節(jié)間長(zhǎng)度8 m，桿件寬度720 mm，弦桿高760 mm，桿件均為H 形截面。橋面系縱橫梁在頂部通過(guò)魚形板進(jìn)行連接。設(shè)計(jì)活載為中-22 級(jí)，主桁材料為16 錳低合金鋼，支座為輥軸支座。該橋主要特點(diǎn)是固定支座位于端部的0#墩。外觀檢查發(fā)現(xiàn)僅5#墩支座狀態(tài)稍差外，其他輥軸活動(dòng)支座保養(yǎng)狀態(tài)良好。

圖1 五孔連續(xù)鋼桁梁立面（單位：m）

2 理論計(jì)算

利用MIDAS 軟件建立連續(xù)鋼桁梁有限元模型，主桁桿件、縱橫梁、上下平聯(lián)、橋門架、橫向聯(lián)結(jié)系、制動(dòng)撐架等均采用梁?jiǎn)卧M，橋墩承臺(tái)處按固結(jié)處理。在恒載及設(shè)計(jì)活載作用下，理論模型計(jì)算得到的主桁桿件內(nèi)力和跨中撓度均與設(shè)計(jì)值吻合良好，誤差不超過(guò)5%。設(shè)計(jì)計(jì)算值不考慮縱橫梁及上下平聯(lián)的共同作用，故認(rèn)為該有限元模型計(jì)算精度滿足要求。

由于支座摩阻系數(shù)與溫度、初始位置、加載速度和方向等多種因素相關(guān)，受力機(jī)理較為復(fù)雜。本文將輥軸活動(dòng)支座的摩阻力簡(jiǎn)化為在支座轉(zhuǎn)動(dòng)中心施加一個(gè)恒定的軸力，支座轉(zhuǎn)動(dòng)中心與下弦中線連接采用剛臂單元，模擬試驗(yàn)荷載作用下摩阻力對(duì)鋼桁梁上部結(jié)構(gòu)的影響。試驗(yàn)表明，滾動(dòng)滑移支座摩阻系數(shù)通常較小［5］，一般為1%~5%，常溫下多為3%。該橋1#—4#墩支座處于正常狀態(tài)，因此，假設(shè)其摩阻系數(shù)相同，分別取3%和5%作為通常值和規(guī)范參考值［1-2］；5#墩支座位于梁端，狀態(tài)相對(duì)稍差，分別取5%和7%作為通常值和規(guī)范參考值。靜載試驗(yàn)荷載采用上下行2 組：1×ND5機(jī)車+5×KZ70（滿載，長(zhǎng)度77.091 m），1#—5#墩處支座摩阻力F=μ×（W恒反+W活反），μ為支座摩阻系數(shù)，W恒反為恒載反力，W活反為第1 孔滿載反力。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。表中負(fù)值表示支座受拉。

表1 1#—5#墩處支座反力和摩阻力 kN

第1 孔桿件軸力和跨中撓度理論計(jì)算值見(jiàn)表2，F(xiàn)0.03引起的桿件附加彎曲應(yīng)力和軸力見(jiàn)圖2。表中負(fù)值表示桿件受壓或產(chǎn)生向上位移。

表2 第1孔桿件軸力和跨中撓度理論計(jì)算值

圖2 F0.03引起的桿件附加彎曲應(yīng)力和軸力

由表2和圖2可知：①第1孔梁在恒載及試驗(yàn)荷載滿載作用下，固定跨上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的附加內(nèi)力并發(fā)生上拱。在F0.03作用下，跨中下弦桿、上弦桿、端斜桿附加軸力分別為恒載軸力的29.1%、10.0%和3.8%，附加彎矩引起支點(diǎn)處桿件E10E11 產(chǎn)生最大應(yīng)力6.2 MPa，引起1.90 mm 的上拱。②在F0.05作用下，跨中下弦桿、上弦桿、端斜桿附加軸力分別為恒載軸力的47.6%、16.3%和6.2%，附加彎矩引起支點(diǎn)處桿件E10E11 產(chǎn)生最大應(yīng)力10.4 MPa，引起3.11 mm 的上拱。③支座摩阻力對(duì)鋼桁梁上部結(jié)構(gòu)主桁桿件內(nèi)力產(chǎn)生了很大的影響，對(duì)下弦桿為減載作用，對(duì)上弦桿和端斜桿為加載作用，這會(huì)大大降低其承載能力。因此，在橋梁養(yǎng)護(hù)中應(yīng)注重對(duì)支座的養(yǎng)護(hù)，使支座的摩阻系數(shù)在設(shè)計(jì)值和參考值范圍內(nèi)。

3 橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

利用試驗(yàn)列車荷載對(duì)5 孔梁加載，選擇5 孔梁實(shí)測(cè)支座位移及第1 孔和第5 孔下弦桿應(yīng)力、跨中撓度進(jìn)行對(duì)比，并分析支座摩阻力對(duì)模態(tài)試驗(yàn)的影響。

3.1 支座位移

由于各孔梁相鄰支座存在活動(dòng)性差異，故采用縱向相對(duì)位移進(jìn)行分析。試驗(yàn)荷載作用下支座縱向相對(duì)位移見(jiàn)表3?？芍?，由于2#—5#墩處各輥軸活動(dòng)支座摩擦力累積，使得第1 孔鋼桁梁支座位移結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)（0.63）明顯小于第5孔鋼桁梁支座位移結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)（0.83）。

表3 試驗(yàn)荷載作用下支座縱向相對(duì)位移

3.2 跨中下弦桿應(yīng)力

連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)存在對(duì)稱性，在相同荷載作用下，跨中下弦桿E4E5（第1 孔）與E4′E5′（第5 孔）產(chǎn)生相等的內(nèi)力，然而實(shí)際上由于支座縱向約束的不同，實(shí)測(cè)應(yīng)力也不同。試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)力見(jiàn)表4。表中負(fù)值表示桿件受壓。

表4 試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)力

由表4 可知：①由于輥軸支座摩阻力對(duì)上弦桿的加載作用，使得上弦桿結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)超過(guò)1。②由于第1孔支座摩擦阻力的累積作用，使下弦桿減載，應(yīng)力實(shí)測(cè)值偏小，第1孔梁跨中下弦桿E4E5的實(shí)測(cè)應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)（0.75）明顯小于第5孔跨中下弦桿E4′E5′應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)（0.87）。③根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，跨中下弦桿E4E5（第1孔）與E4′E5′（第5孔）理論計(jì)算值基本相等（由于試驗(yàn)車不對(duì)稱，理論值稍有差別），結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)也應(yīng)一致?；诖?，按照相同荷載和結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)換算，第1孔梁跨中下弦桿E4E5軸向應(yīng)力比第5孔跨中下弦桿E4′E5′少5.1 MPa，根據(jù)桿件面積得到軸力減少了296 kN，與計(jì)算模型中第1 孔跨中下弦桿附加軸力（445.7 kN）和第5 孔跨中下弦桿附加軸力（186.2 kN）的差值259.5 kN 接近，表明支座摩阻力對(duì)鋼桁梁上部結(jié)構(gòu)主桁桿件會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

3.3 跨中撓度

第1、5 孔梁的理論豎向剛度應(yīng)相同，而實(shí)際情況不同。試驗(yàn)荷載作用下跨中撓度見(jiàn)表5。可知，由于第1孔梁比第5孔梁所受摩阻力大，第1孔梁撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)（0.78）小于第5 孔梁撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)（0.82），表明增加支座摩阻力會(huì)減小主桁撓度。支座摩阻力對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)撓度的影響小于應(yīng)力的影響。

表5 試驗(yàn)荷載作用下跨中撓度

3.4 模態(tài)試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試采用環(huán)境激勵(lì)法，由于支座縱向摩擦阻力相當(dāng)于對(duì)結(jié)構(gòu)提供縱向約束剛度，提高了結(jié)構(gòu)的豎向剛度，且與豎向動(dòng)力特性有關(guān)，故僅列出豎向自振特性，見(jiàn)表6?？芍?，第1 孔固定墩邊跨對(duì)支座縱向約束比較敏感，其1 階豎向彎曲振動(dòng)自振頻率實(shí)測(cè)值與理論值的比值（1.14）明顯大于其他階次的比值（1.04~1.06）。原因是1#—5#支座摩阻力的累積作用使得第1孔所受支座摩阻力較大，其縱向約束大，則豎向剛度和自振頻率也較大。

表6 豎向自振特性

4 結(jié)論

1）支座摩阻力對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響大于對(duì)撓度的影響。支座摩阻力具有累積作用，且固定支座孔跨的上部結(jié)構(gòu)受力受其影響最大。

2）在恒載、活載等作用下，支座摩阻力的存在使鋼桁梁上部結(jié)構(gòu)主桁桿件產(chǎn)生較大的附加彎矩和軸力，對(duì)上部結(jié)構(gòu)主桁桿件產(chǎn)生不利影響。

3）由于支座摩擦阻力相當(dāng)于對(duì)結(jié)構(gòu)提供縱向約束剛度，提高了結(jié)構(gòu)的豎向剛度，對(duì)豎向動(dòng)力特性也會(huì)產(chǎn)生影響。

建議橋梁養(yǎng)護(hù)部門注重對(duì)支座的養(yǎng)護(hù)，滑動(dòng)、滾動(dòng)面保持清潔和潤(rùn)滑，使支座的摩阻系數(shù)在設(shè)計(jì)值和參考值范圍內(nèi)。