鐵路橋梁球型支座

■ 石秋君 佟嘉明 臧曉秋 張雯

鐵路橋梁球型支座

■ 石秋君 佟嘉明 臧曉秋 張雯

橋梁支座是連接橋梁上部結構與下部結構的“關節”部件，是橋梁結構的重要組成部分，其性能優劣直接影響整座橋梁甚至整條線路的運營狀態及使用壽命。對球型支座的結構設計、經濟技術指標、材料選擇、生產加工控制及檢測試驗等內容進行介紹，為球型支座在鐵路橋梁上的進一步應用提供參考。

鐵路橋梁；球型支座；結構形式；技術參數；檢驗

0 引言

截至2014年底，我國鐵路營業里程已超過11萬km，在建高鐵規模超過1萬km。隨著我國鐵路建設步伐的加快，橋梁結構在基礎工程中所占比例也不斷增加，其中多條高速鐵路的正線采取了高架橋的建設方式，對橋梁支座的需求量不斷增加。作為橋梁工程上、下部結構的傳力、連接部件，橋梁支座產品的性能優劣將直接影響橋梁的整體性能。因此，在我國鐵路建設力度、覆蓋區域加大的同時，對橋梁支座的安全性、耐久性、承載力及環境適應性等方面都提出了較高要求。在此前提下，球型支座以其結構合理、耐久性強、經濟環保等優點，符合鐵路橋梁的科學技術進步要求，在我國多條鐵路尤其是新建高速鐵路橋梁中被廣泛應用。

1 結構形式

球型支座是20世紀70年代在盆式橡膠支座基礎上研制的一種新型橋梁支座，于1988年引入我國，隨后在上海南浦公路斜拉橋上應用。球型支座通常由上支座板、球冠襯板、下支座板、平面不銹鋼板、平面滑板、球面不銹鋼板、球面滑板、密封裝置、錨栓、防塵圍板等部件組成（見圖1），其中球冠襯板是球型支座的核心部件，起著承載、傳力、轉動的作用。

球型支座按其使用功能可分為固定支座、單向活動支座和多向活動支座。所有支座類型都可承受豎向荷載，并具有轉動功能。此外，固定支座可承受各向水平荷載，但不發生水平位移；單向活動支座可承受限位方向的水平荷載，可適應非限位方向的水平位移；多向活動支座可適應各向水平位移。

圖1 球型支座結構組成

球型支座與既有的各種類型支座相比，克服了材料、結構、工作原理上的諸多不足，具有以下優點：

（1）無橡膠材料，不存在橡膠質量控制和老化問題，低碳環保；

（2）各部件均為面接觸，傳力路線簡潔明確，克服了既有弧形支座、搖軸支座等支座應力集中的缺點；

（3）通過平面摩擦副和球面摩擦副之間的相對滑動來實現支座的平面位移和轉角，反力小、轉動靈活；

（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，提高產品的性價比，且溫度適應性更強，可適應溫度范圍在-40～60 ℃，在我國南方、北方等不同地域都可使用。

2 設計依據

在我國鐵路橋梁設計規范中，并無專門針對球型支座的設計標準，因此在球型支座設計時應充分參考涉及支座部分的通用設計規范，如TB 10002．1—2005《鐵路橋涵設計基本規范》、TB 10002．2—2005《鐵路橋梁鋼結構設計規范》、 TB 10002．3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》及 GB/T 17955—2009《橋梁球型支座》。為了確保設計的系統性、全面性，設計人員在依據我國現有標準進行支座產品設計的同時，也參考了歐洲標準EN 1337 “Structural bearings”的相關部分進行部件的檢算，確保鐵路橋梁球型支座的安全性，提高了產品的設計水平[1]。

3 技術經濟指標

球型支座是在大量科學試驗研究成果的基礎上，采用新型滑板材料改性超高分子量聚乙烯代替傳統的聚四氟乙烯滑板設計而成，該材料設計應力高、耐磨性好，可減小支座構造尺寸，節約成本，提高支座的整體性能；支座采用球面包覆不銹鋼板技術，降低了滑板的摩擦系數和磨耗率，提高了摩擦副的使用壽命；采用數控加工設備進行加工，可提高產品的成型質量和加工精度；采用先進的防腐涂裝措施，減少了支座的日常養護維修費用。因此，從長期使用的角度考慮，球型支座更經濟、性價比更高、耐久性更好[2]。

按使用性能，支座分為下列4類：

（1）多向活動支座（DX）。承受豎向荷載，具有豎向轉動和水平多向位移性能。

（2）縱向活動支座（ZX）。承受豎向荷載和橫橋向水平荷載，具有豎向轉動及順橋向位移性能。

（3）橫向活動支座（HX）。承受豎向荷載和順橋向水平荷載，具有豎向轉動及橫橋向位移性能。

（4）固定支座（GD）。承受豎向荷載和各向水平荷載，具有豎向轉動性能，水平各向均無位移。

支座設計豎向承載力從1 000～10 000 kN，設計水平力為豎向承載力的10%～40%，設計縱向位移最大為±3 00 mm，橫向位移最大為±40 mm；適應地震動峰值加速度0．1g～0．3g的地區；適用于環境溫度為-40～60 ℃的地區。特殊設計的球型支座還可具有調高或減隔振功能。

4 材料

4.1 鋼件

鐵路橋梁球型支座的上支座板、中間襯板和下支座板等主體結構均由鋼件組成，目前鋼件通常采用鑄鋼件、低合金高強度結構鋼軋制鋼板或鋼鍛件。其中鑄鋼件應用廣泛，且用量最大，尤其適宜于復雜結構或尺寸較大的構件使用；軋制鋼板的市場供應量充足，性能穩定，且價格適中，采購和機加工方便；低合金鋼鍛件的性能較好，但加工成本較高，因此僅在特殊設計的部件上使用，隨著工藝的不斷改進和鍛造技術的發展，其應用比例也將逐漸提高。

支座采用鑄鋼件時應逐爐檢查鋼件的化學成分，并對隨爐試棒進行材料的機械性能檢驗，檢驗結果應符合國家標準GB/T 11352《一般工程用鑄造碳鋼件》中的規定，并按照GB/T 7233《鑄鋼件超聲檢測第1部分：一般用途鑄鋼件》對鑄鋼件進行逐件的超聲檢測，保證每件鑄件的質量均滿足使用要求；支座使用低合金鋼鍛件或軋制鋼板時，鍛件或鋼板的化學成分和機械性能應滿足相關標準的規定；鍛件成形后的部件還需預留一定的加工余量。鍛件和鑄件都需進行熱處理，一般作為特殊過程嚴格控制熱處理的溫度；應用在沿海或低溫地區的鐵路橋梁球型支座，鋼件應選用耐腐蝕材料或低溫材料，并進行相應環境下的檢測試驗，確保鋼件滿足使用要求。

4.2 滑板

目前，鐵路橋梁支座中滑板材料常用的有聚四氟乙烯板和改性超高分子量聚乙烯板。其中聚四氟乙烯板在我國應用較早、用量最大。由不銹鋼板與聚四氟乙烯板組成的摩擦副是最常用的一種支座摩擦副，也是歐洲標準EN 1337“Structural bearings”推薦的一種滑動摩擦副，具有板材國產化率高、技術成熟、性能穩定、價格適中的特點，得到了工程技術人員的廣泛認可，現已應用于多條鐵路項目的橋梁支座產品中。改性超高分子量聚乙烯板是一種新興的滑板材料，最先在德國、意大利等國的橋梁支座產品中出現，并于2005年應用于我國京滬高速鐵路南京大勝關長江大橋的球型支座設計中。與聚四氟乙烯相比，改性超高分子量聚乙烯板設計容許應力較高，摩擦系數較低，支座使用這種材料做滑板時平面尺寸相對較小，質量較輕，尤其適用于設計承載力較高的大噸位橋梁支座設計。因此，鐵路橋梁球型支座選用改性超高分子量聚乙烯板作為其滑板材料。

與國外相比，我國自主研發的改性超高分子量聚乙烯材料發展很快，材料的國產化率得到提高，生產工藝也日益成熟，其物理機械性能基本達到進口板材的水平；為了嚴格控制滑板的質量，鐵路行業標準對滑板的物理機械性能及磨耗性能等指標提出了詳細的規定（具體見表1、表2）[3-4]。

5 生產加工及工藝控制

目前國內生產的球型支座，球冠襯板的球面采用了球面包覆不銹鋼滑板和球面電鍍硬鉻兩種方案。由于球面包覆不銹鋼滑板相比電鍍硬鉻，技術先進、性能可靠、壽命長久、對環境無污染，因此，球冠襯板的球面采用全部包覆不銹鋼結構。采用此結構后，球型支座的平面摩擦副和球面摩擦副均采用不銹鋼板與滑板形成偶對，摩擦系數低，磨損率低，且保持長久不變。這樣，平面摩擦副和球面摩擦副就實現了等滑移性能和等壽命設計。

通過產品試制，依據球型支座的構造特點，確定了球冠不銹鋼板的成型及焊接、球面滑板的成型及安裝，以及球冠襯板球面加工及檢測等關鍵控制點，制定了完整的制造工藝流程及控制措施，保證了球型支座的生產質量。

表1 滑板的物理機械性能

表2 滑板的摩擦和磨耗性能

5.1 球面加工及檢測

球型支座的球冠襯板凸球面和下支座板凹球面均應使用數控車床進行加工，加工前根據球面半徑尺寸進行設置，并控制好參考坐標和刀具補償量等關鍵參數，核對無誤后方可加工。在進行球冠襯板的凸球面加工時，應使用夾具進行定位和翻轉，以保證球面半徑尺寸、面輪廓度、表面粗糙度等滿足設計要求。機加工前要準備好球面樣板靠模和球面三角量規，球面加工過程中應及時使用專用球面樣板靠模靠在球面上，檢查球面半徑是否吻合要求，加工完成后采用球面樣板和球面三角量規進行球面度檢測。

5.2 球面不銹鋼滑板成型及焊接

球型支座的球面不銹鋼板焊接質量及與襯板的貼合精度對支座的轉動性能有很大影響，因此球面不銹鋼板成型、焊接工藝是支座生產中的重點控制項目。球面不銹鋼板成型時，應根據力學原理和扳金理論設計成型模具，通過成型模具使不銹鋼板在壓力作用下一次成型，并在保壓條件下采用氬弧焊對球面不銹鋼板進行封焊，以保證球面不銹鋼滑板的成型質量和與球冠襯板球面的緊密貼合。

5.3 球面聚乙烯滑板成型與安裝

球型支座的球面滑板采用整板鑲嵌結構，特殊情況下采用分片式結構，因此其成型工藝十分重要。球面滑板成型可采用反彎變形法或冷凍法進行實施。成型前應根據所采用的成型方法準備好相應工裝及模具，先對滑板進行預成型，使其能夠直接放入下支座板球面鑲坑內，然后在壓機上對球面滑板進行定型，確保滑板的成型質量。

6 整體性能試驗

整體性能試驗以豎向承載力6 000 kN的縱向活動和固定支座為例，檢測方法依據GB/T 17955—2009《橋梁球型支座》[5]國家標準進行，檢測項目包括豎向承載力試驗、摩擦系數和轉動試驗。試驗結果見表3。

通過以上試驗結果可以看出，成品支座的摩擦因數很小，遠低于標準要求，轉動力矩僅為限值的1/3，試制產品整體力學性能完全符合國家標準GB/T 17955—2009的規定，質量合格。該檢測結果進一步驗證的支座設計的合理性和生產加工的工藝水平。

7 應用情況

由于球型支座結構的先進性和性能的穩定性，經過多年發展已應用于國外公路和鐵路橋梁項目中。如近幾年建設的意大利高鐵米蘭—羅馬—那不勒斯段、都靈—米蘭段均采用了球型支座產品。目前，國際上較為著名的橋梁工程構件企業，如德國毛勒公司、意大利艾爾格公司、美國布朗公司、瑞士瑪格巴公司等，均以球型支座作為其主要產品。

2010年以前，球型支座在我國作為特殊設計更多地應用于環境要求較高、設計承載力較大和重要性高的橋梁項目中，如東海大橋、青島海灣大橋、杭州灣跨海大橋、南京大勝關大橋、青藏鐵路拉薩河大橋等跨江、沿海、跨海大橋及東南沿海鐵路，哈大、京滬、石武等鐵路連續梁橋，尚未大規模使用。

近年來，鐵路橋梁球型支座系列圖紙已經頒布，其設計荷載、位移、轉角和外形尺寸、螺栓孔位置、梁底預埋件及墩頂連接件等接口均與我國鐵路通用簡支梁橋圖紙相配套，并與簡支梁支座通用參考圖相一致，實現了替換現有通用簡支梁橋采用的支座形式的目標。2013年中國鐵路總公司頒布了鐵道行業標準TB/T 3320—2013《鐵路橋梁球型支座》，保證了產品的質量和驗收。

表3 成品支座整體力學性能試驗結果

目前，球型支座產品已應用于京石、武威、蘭新、杭長、合福、沈丹等客運專線，且在國內建成了多條生產線，實現了規模化生產。新研制的球型支座適應性強、整體耐久性好，延長了使用壽命，減少了養護維修工作量，具有良好的社會經濟效益。

8 結束語

球型支座以其質量可靠、性能優良、性價比高等優點在我國鐵路新線建設中得到了廣泛應用。同時帶動了國內支座的研究、設計、生產架設水平的提高，達到了國際先進技術水平；尤其是高速鐵路和重載鐵路，球型支座的應用解決了鐵路建設中的實際問題。目前已開通運營的各條新建線路中，在列車運行速度快、軸重較高的運營條件下，球型支座發揮了良好的作用，經濟社會效益顯著。

[1] 莊軍生．橋梁支座[M]．北京：中國鐵道出版社，2010．

[2] 中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所． 新線建設關鍵技術研究——鐵路簡支梁橋球型鋼支座試驗研究[R]，2011．

[3] 臧曉秋，石秋君，佟嘉明，等． 高速鐵路橋梁支座概述[C]//第十二屆全國橋梁學術會議論文集，2012．

[4] TB/T 3320—2013 鐵路橋梁球型支座[S]．

[5] GB/T 17955—2009 橋梁球型支座[S]．

石秋君：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，助理研究員，北京，100081

佟嘉明：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，助理研究員，北京，100081

臧曉秋：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，研究員，北京，100081

張 雯：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，工程師，北京，100081

責任編輯 苑曉蒙

U443

A

1672-061X（2015）02-0049-04

鐵道部科技研究開發計劃項目（2010G016-F）。

所獲獎項：2014年度中國鐵道學會科學技術獎二等獎。