文章在分析球形支座結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，依托某三跨連續(xù)鋼混組合梁項目，從豎向承載力、支座變形量程和預(yù)偏三個方面進(jìn)行了支座選型分析，并對支座的安裝、常見病害及維護(hù)進(jìn)行了探討，以期促進(jìn)球型支座的推廣和應(yīng)用。

鋼混組合梁；球形支座；支座預(yù)偏；豎向承載力；檢測維護(hù)

U443.36A381334

作者簡介：

覃元璋（1988—），工程師，主要從事道路、橋梁施工管理等工作。

0" 引言

支座連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)，能夠承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的豎向力并傳遞給下部結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)或者釋放上部結(jié)構(gòu)的變形和轉(zhuǎn)角，確保橋梁上部結(jié)構(gòu)處于合理受力狀態(tài)。作為大跨徑橋梁的常用支座形式，球形支座不僅能夠均勻傳遞荷載的作用，還可以實現(xiàn)梁端的轉(zhuǎn)動和平動，在大跨度橋梁、曲線橋和坡道橋等對支座有特殊需求的支座選型中得到了廣泛的應(yīng)用。如顧南榮等［1］通過試驗研究了球形支座的抗壓性能、平面滑動摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動性能，基于有限元模型研究了彈性支撐、剛性支撐下球形支座的應(yīng)力分布，結(jié)果顯示球形支座性能和應(yīng)力分布滿足承載需求。楊帆［2］針對球形支座進(jìn)行了系統(tǒng)的力學(xué)性能試驗，結(jié)果顯示球形支座具有力學(xué)性能穩(wěn)定、耗能性和隔震減震強(qiáng)等優(yōu)勢。在分析球形支座結(jié)構(gòu)特點及工作原理基礎(chǔ)上，依托于設(shè)計計算和結(jié)果分析，鮑薇等［3］針對支座設(shè)計提出了進(jìn)一步優(yōu)化意見。依托于某建筑結(jié)構(gòu)支座選型，薛詩東［4］通過理論計算、有限元分析和試驗測試了球形支座的受力及其變形情況，并在項目中獲得了成功應(yīng)用。查閱當(dāng)前文獻(xiàn)，針對球形支座的研究多集中在某一方面，缺乏系統(tǒng)的研究［5-8］。基于此，本文在分析球形支座結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，依托于某連續(xù)鋼混組合梁支座選型，從豎向承載力、支座變形量程和支座預(yù)偏3個方面進(jìn)行了支座選型計算，確定了支座型號，對球形支座安裝、常見病害及維護(hù)進(jìn)行了詳細(xì)探討，對球形支座的應(yīng)用起到了一定的推動作用。

1" 球形支座的結(jié)構(gòu)特點及工作原理

1.1" 球形支座構(gòu)成

從結(jié)構(gòu)組成分析，球形支座從上向下依次為上座板、不銹鋼板、平面四氟滑板、球形鋼襯板，球面四氟滑板、下座板等。具體如圖1所示。

由圖1可知，通過不銹鋼板和平面四氟滑板之間的相對運(yùn)動實現(xiàn)球形支座的平動，通過球形鋼襯板和球面四氟滑板的相對運(yùn)動來實現(xiàn)支座轉(zhuǎn)動。

1.2" 工作原理

1.2.1" 支座原理分析

由于自身荷載、外部荷載、混凝土收縮和徐變的作用，橋梁上部結(jié)構(gòu)不可避免會發(fā)生一定的平動和轉(zhuǎn)動位移，支座的設(shè)計可以使上部結(jié)構(gòu)自由變形和轉(zhuǎn)動而不產(chǎn)生附加內(nèi)力，起到傳遞力和協(xié)調(diào)力矩的作用。簡支梁支座作用示意如圖2所示。

1.2.2" 豎向力傳遞

作為傳遞上部恒載和活載引起的豎向力的構(gòu)件，球形支座傳力途徑簡單，受力圖示明確：外部豎向荷載→上座板→不銹鋼板→平面四氟板→球芯→球面四氟滑板→底座，最后下支座板將荷載均勻作用到墊石上。具體傳力途徑如圖3所示。

1.2.3" 轉(zhuǎn)動傳遞

球形支座能夠協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)在各種荷載下的梁端變形和轉(zhuǎn)動，確保結(jié)構(gòu)和支座處于合理受力狀態(tài)。由于球形鋼襯板的設(shè)計，確保梁端各項轉(zhuǎn)動性能一致。其轉(zhuǎn)動示意如圖4所示。

球形支座在鋼混組合連續(xù)梁中的應(yīng)用研究/覃元璋

如圖4所示，支座轉(zhuǎn)動力矩計算如式（1）所示：

M=N·μ·R（1）

式中：N——支座承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載（kN）；

μ——球形鋼襯板與球面四氟滑板之間摩擦系數(shù)；

R——球形鋼襯板球面半徑（m）。

根據(jù)式（1）參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，球形支座轉(zhuǎn)動力矩只與N、R和μ有關(guān)，豎向荷載穩(wěn)定情況下力矩恒定，且與轉(zhuǎn)角大小無關(guān)。

2" 工程背景

2.1" 工程概況

某三跨連續(xù)鋼混組合梁橋，全橋長度為280.0 m，跨徑布置為（75+130+75） m，車道橫向布置為0.53 m（護(hù)欄）+3.25 m（應(yīng)急車道）+3×4.0 m（機(jī)動車道）+0.53 m（護(hù)欄）=16.31 m，分左右幅設(shè)置。中支點處梁高為6.0 m，邊支點處梁高為3.5 m，變截面采用二次拋物線形式。橋面板厚度為28.0 cm，護(hù)欄采用混凝土SS級護(hù)欄。見圖5。

鋼主梁采用從主墩向邊跨和中跨對稱施工的方式，鋼主梁合龍后開始橋面板的吊裝。其順序為從小里程向大里程吊裝，然后進(jìn)行跨中正彎矩區(qū)（78.0 m）后澆帶、剪力槽混凝土澆筑；養(yǎng)生一段時間后拆除臨時支撐，然后進(jìn)行墩頂負(fù)彎矩區(qū)（64.0 m）后澆帶、剪力槽混凝土澆筑，最后進(jìn)行橋面鋪裝和護(hù)欄的施工。

2.2" 支座類型選擇

根據(jù)結(jié)構(gòu)整體承載和變形對支座要求，固定支座設(shè)在24#墩，其他為活動支座。具體布置如圖6所示。

3" 支座選型計算

支座選型不僅考慮豎向承載力，還要考慮橋梁跨徑、梁體縱橋向變形和支座預(yù)偏等因素。

3.1" 豎向承載力計算

本文鋼主梁采用雙主梁箱形截面，結(jié)構(gòu)整體抗彎、抗扭剛度較大，橫向采用兩點支承，可采用杠桿法求單個支座的最大壓力標(biāo)準(zhǔn)值組合，具體計算如下。

3.1.1" 永久作用

對于永久作用荷載，支反力計算如式（2）所示：

RAi=12qili（2）

式中：qi——單位長度內(nèi)的均布線荷載（kN/m）；

li——qi為均值或可近似認(rèn)為均值的最大長度（m）。

根據(jù)上述公式，永久作用標(biāo)準(zhǔn)值計算如表1所示。

3.1.2" 汽車荷載作用

支點橫向分布影響線及公路-Ⅰ級汽車車輛荷載布置如圖7、圖8所示。

（1）根據(jù)杠桿原理法求支承處單個支座的荷載橫向分布系數(shù)：

汽車荷載橫向分布系數(shù)為：

ηq=∑i=ni=1ηi（3）

（2）汽車荷載作用下，支座的最大壓力標(biāo)準(zhǔn)值為：

Rq=ζ（1+μ）ηq（1.0×Pk+12×Li×1.0×qk）（4）

式中：μ——考慮汽車沖擊影響的沖擊系數(shù)，取μ=0.15；

Pk、qk——公路Ⅰ級荷載的均布荷載和集中荷載，Pk=10 kN/m，qk=238 kN；

ζ——車道折減系數(shù)，四車道取ζ=0.78。

因此，活載和恒載作用下單個支座的最大支反力標(biāo)準(zhǔn)值計算結(jié)果如表2所示。

3.2" 支座量程計算

支座縱橋向量程的計算需要考慮荷載、主梁合龍溫差、汽車荷載制動力引起的水平位移，以下進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.2.1" 荷載引起的水平位移

荷載引起的水平位移根據(jù)模型計算得到，實際模型中已根據(jù)實際預(yù)拱度進(jìn)行迭代分析，確保偏差為±1 mm。

3.2.2" 主梁合龍溫差引起的水平位移Ag

主梁的計算溫差如下：

At=Tmax-Tmin（5）

式中：Tmax——當(dāng)?shù)刈罡哂行囟葮?biāo)準(zhǔn)值，取Tmax=34 ℃；

Tmin——當(dāng)?shù)刈畹陀行囟葮?biāo)準(zhǔn)值，取Tmax=-10 ℃；

溫差變形由兩端過渡墩支座平均分配，則每個支座承受的水平位移如式（6）所示：

Ag=0.5uc·At（6）

式中：uc溫差變形由兩端過渡墩支座平均分配，則每個支座承受的水平位移如下所示：

Ag=0.5u·c·At

式中：c——鋼主梁和混凝土組合結(jié)構(gòu)的線膨脹系數(shù)；

u——一跨橋梁支座之間計算距離。

3.2.3" 汽車荷載制動力引起的水平位移Ap

根據(jù)每個橋墩承擔(dān)的汽車制動力，則根據(jù)橋墩縱橋向剛度計算分析汽車制動力引起的水平位移。

3.2.4" 支座量程統(tǒng)計分析（表3）

根據(jù)支座豎向支反力、縱橋向變形確定過渡墩支座為KZQZ-4500，主墩支座為KZQZ-22500。

3.3" 支座預(yù)偏計算

支座在合理服役狀態(tài)下，除了需要豎向承載力滿足承載要求外，還需要考慮由于溫度、混凝土收縮等因素造成梁體一定的縱橋向變形，要求支座變形量程滿足主梁變形需求，且應(yīng)考慮極端狀況下支座不發(fā)生變形超限。因此，支座安裝時需要設(shè)置一定縱向預(yù)偏，確保支座服役處于合理平動和轉(zhuǎn)動區(qū)間。

支座平動位移是指橋梁運(yùn)營過程中，活動支座的上支座板偏移支座理論中心線的位移，具體如式（7）所示：

Δ=-（Δ1+Δ2+Δ3）（7）

式中：Δ1——施工荷載引起的位移，與施工過程和工序有關(guān)（mm）；

Δ2——混凝土收縮徐變引起的位移量（mm）；

Δ3——因體系溫差引起的位移量（mm）。

該橋位于河南省開封市，氣溫最高月是7月，平均溫度為34.0 ℃；氣溫最低月是1月，平均氣溫為-10 ℃，則設(shè)計合龍溫度為22 ℃。支座預(yù)偏量計算如表4所示。

4" 支座安裝及維護(hù)

作為連接上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的重要部件，支座的合理服役能夠適應(yīng)上、下部結(jié)構(gòu)水平平動和梁端轉(zhuǎn)動變形，因此支座的合理安裝和維護(hù)是確保支座合理服役的關(guān)鍵。

4.1" 支座安裝

4.1.1 "安裝流程工藝

關(guān)于球形支座的安裝主要分為安裝前處理、安裝和固定支座，以下進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.1.1.1" 安裝前處理

（1）高度放樣。需要檢測墊石厚度、高度，尤其是四角高程是否在設(shè)計容許范圍內(nèi)，否則應(yīng)通過楔形塊進(jìn)行調(diào)整。

（2）平面放樣。測量放樣支座縱橫向十字中心線，確定支座安裝平面位置。

（3）預(yù)偏考慮。上座板的安裝，必須考慮由于恒載、溫差和混凝土收縮、徐變等引起的縱橋向位移。

4.1.1.2" 安放、固定支座

（1）吊裝入位。墊石平面、高程放樣完成后，吊裝支座入位，對于活動支座需要注意主滑移方向。

（2）上座板連接。支座上座板與鋼主梁通過楔形塊調(diào)整縱坡，確保支座均勻受力，便于楔形調(diào)坡板與鋼主梁和上座板通過焊接連接。

（3）支座固定。下座板與墊石通過灌漿連接，如存在間隙考慮采用楔形塊調(diào)整。

4.1.2" 支座預(yù)偏設(shè)置施工

在安裝活動支座的上座板時，宜考慮安裝溫度與設(shè)計要求不符、施工荷載等因素引起的相對位移，根據(jù)計算結(jié)果在順橋向設(shè)置預(yù)偏量，具體施工過程如下：

（1）對于固定支座，在楔形調(diào)坡板焊接完成之后，拆除支座連接裝置，固定支座不設(shè)偏移量。

（2）對于活動支座，在楔形調(diào)坡板安裝之前，拆除支座連接裝置并設(shè)置預(yù)偏，具體如圖9所示。

4.2" 球形支座常見病害

球形支座在服役期間應(yīng)定期進(jìn)行檢查及維護(hù)，根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，球形支座主要出現(xiàn)以下病害問題：

（1）支座地腳錨栓出現(xiàn)剪斷，造成支座下座板發(fā)生偏位。

（2）支座縱橋向相對位移超限，造成支座服役狀態(tài)不佳。

（3）支座高度發(fā)生變化，多是因為支座內(nèi)部滑板出現(xiàn)嚴(yán)重磨耗情況。

4.3" 球形支座維護(hù)

球形支座在使用期間應(yīng)進(jìn)行定期次檢查和養(yǎng)護(hù)，具體內(nèi)容如下：

（1）檢查支座地腳螺栓有無剪斷，如有應(yīng)及時采取加固措施。

（2）檢查支座縱橋向相對位移是否均勻，是否發(fā)生偏轉(zhuǎn)；同時根據(jù)測試支座偏位，與固定支座距離進(jìn)行合理評價。

（3）定期檢查支座高度變化，對平面四氟滑板和球面四氟滑板的磨耗情況進(jìn)行評價，必要時應(yīng)拆除防護(hù)措施接近檢查。

5" 結(jié)語

在大跨徑橋梁、曲線橋梁和爬坡橋梁等對支座平動和轉(zhuǎn)動有特殊需求的橋梁中，球形支座得到了較為廣泛的應(yīng)用。在了解球形支座結(jié)構(gòu)特點和工作原理的基礎(chǔ)上，本文章依托于某連續(xù)鋼混組合梁結(jié)構(gòu)構(gòu)成和施工工藝的基礎(chǔ)上，確定了支座類型，并通過豎向承載力、支座量程和支座預(yù)偏進(jìn)行了支座選型計算，對支座安裝從安裝前、安裝過程中和支座預(yù)偏等關(guān)鍵施工過程進(jìn)行了分析，對球形支座運(yùn)營期常見病害和針對性的維護(hù)措施進(jìn)行了詳細(xì)的探討，對球形支座的推廣應(yīng)用起到了一定的推動作用。

［1］顧南榮，吳輝琴，劉顯暉，等.球形支座測力系統(tǒng)設(shè)計及測力試驗分析［J］.廣西科技大學(xué)學(xué)報，2022，33（2）：33-40，47.

［2］楊" 帆.鐵路橋梁球形支座基本力學(xué)性能試驗結(jié)果分析［J］.鐵道建筑，2021，61（1）：23-26.

［3］鮑" 薇，高靜青.球形鋼支座的設(shè)計研究與思考［J］.鐵道勘察，2012，38（3）：68-71.

［4］薛詩東.球形鋼支座在建筑結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用［J］.建筑施工，2005（11）：34-37.

［5］許雅玲，曹加良.球形鋼支座在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2012，42（S1）：733-735.

［6］杜海鑫.坡度自適應(yīng)球形支座在橋梁高墩糾偏中應(yīng)用效果研究［J］.北方交通，2022（10）：5-8.

［7］肖" 明.球形支座常見病害及防治方法探討［J］.國防交通工程與技術(shù)，2016，14（S1）：46-48.

［8］蒙明俊，陳文強(qiáng)，龔文劍.山區(qū)高速公路橋梁球形支座的應(yīng)用［J］.黑龍江交通科技，2020，43（10）：100-101.

20240408