鐵路橋梁支座病害分析

劉 綱

(神華包神鐵路集團有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯 017000)

1 概述

包神鐵路北起包蘭鐵路的萬水泉站，經內蒙古鄂爾多斯地區，至陜西省神木縣大柳塔鎮，全長170.15 km。包神鐵路建成于1989年，現已運營24年，設計年運輸能力1 400萬t，后經過電氣化改造，對列車進行了提速，包神線運量大大提高，至2009年年底年運輸能力增加到1.6億t。包神鐵路設計施工于20世紀80年代，其設計標準、施工工藝、施工材料均不能達到現代標準，現行的運量和設計車速已遠超過其當初設計值，而橋梁結構本身承載力并未隨之提高，隨著橋梁服役期的不斷增長，相應的病害日益凸顯，其中支座病害最為嚴重。包神線管內支座主要為鑄鋼支座，分為搖軸支座、弧型支座和輥軸支座三種類型。

2 支座作用及布置原理

2.1 支座作用

鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構橋梁上部結構和墩臺之間需設置支座，其作用為:1)將上部結構的荷載傳遞到墩臺及基礎，其中荷載包括恒載和活載引起的豎向力和水平力。2)保證結構在活載、溫度變化、混凝土收縮和徐變等因素作用下能自由變形。

固定支座傳遞豎向力和水平力，允許上部結構在支座處能自由轉動但不能水平移動;活動支座則只傳遞豎向力，允許上部結構在支座處既能自由轉動又能水平移動。鋼筋混凝土簡支梁橋靜定結構的受力圖如圖1所示。

圖1 靜定結構受力圖

2.2 支座布置原則及其原理解析

包神鐵路橋梁支座布置遵循《維規》中支座布置原則:當橋梁位于坡道上時，固定支座應設在較低一端，如圖2所示;當橋梁位于平坡上時固定支座宜設在梁的重車方向端，如圖3所示。

圖2 有坡道支座布置

包神鐵路梁體主要采用預應力混凝土簡支T型梁，預應力混凝土T型梁失效標準是梁體下緣出現拉應力甚至拉應力大于混凝土抗拉強度(即開裂)，所以支座的布置原則就是盡量減小梁體下緣所受拉力。從圖2可以看出有坡道時，梁上荷載P在沿梁坡道方向有一個分力，此分力有使梁體產生指向固定支座方向位移的趨勢，由于固定支座不能水平移動，則梁體會有縮短的趨勢即梁體受壓，此壓力可以抵消一部分梁上荷載產生的梁下緣拉力，符合支座的布置原則。從圖3可以看出當將固定支座設于梁的重車方向端，重車牽引力或制動力也會給梁一個沿梁體指向固定支座方向的力，此力有使梁體產生指向固定支座方向位移的趨勢，由于固定支座不能水平移動，則梁體會有縮短的趨勢即梁體受壓，此壓力同樣抵消一部分梁上荷載產生的梁體下緣拉力，符合支座的布置原則。

圖3 重車方向支座布置

3 活動支座工作原理

以搖軸支座為例介紹活動支座的工作原理。搖軸活動支座由底板、搖軸和與錨固于梁底板的上擺組成，如圖4所示。搖軸頂面與上擺由擺卡和順橋向限位連接，擺卡限制搖軸的橫橋向位移，上擺上設有順橋向限位，可以保證搖軸頂面與上擺在順橋向同步位移，搖軸底面與底板由銷釘連接。搖軸的底面為圓曲面形，可以在底板上自由轉動，但由于銷釘的限制作用，搖軸與底板不能有相對位移，活動支座的縱向位移由搖軸轉動后搖軸頂面與底面的位移差實現。

圖4 搖軸活動支座

圖5 銷釘受剪破壞

搖軸支座的理想工作狀態是搖軸底面在底板上轉動，最大允許轉角為7°，梁體在轉角范圍內自由伸縮，并可以在自重作用下搖軸底面回到原來位置。但包神鐵路橋梁由于重車方向明確、坡度設置和收縮徐變等因素影響，轉角范圍內的梁體位移已不能滿足梁體伸縮要求，當搖軸轉角達到最大，隨著梁體進一步縮短，梁上水平力在由搖軸傳遞給底板時，銷釘所受剪力漸漸增大，直到銷釘受剪破壞，如圖5所示。銷釘受剪破壞后，搖軸在底板上沒有了約束，除了轉動外可以產生水平位移，如圖6所示，此時的梁體水平位移包括搖軸轉角產生的梁體位移與搖軸底面在底板上產生的水平位移之和。

圖6 銷釘剪斷后支座位移

當銷釘剪斷，搖軸與底板之間有相對位移后，此時的水平力傳遞是梁體通過上擺的順橋向限位傳遞給搖軸，然后由搖軸底面與底板的摩擦力傳遞到底板進而傳遞到橋墩，當發生地震、撞擊或列車急剎車等偶然事件時，梁上傳遞的水平力遠遠大于搖軸底面與底板的摩擦力，將產生瞬時較大位移，有可能搖軸滑出底板發生落梁，造成安全事故。從圖4可以看出上擺順橋向限位截面較小，在搖軸已產生較大轉角和位移，與順橋向限位頂死狀態下，支座一側的兩個順橋向限位承受很大的剪切力，隨著運營時間的增長，很有可能發生脆斷，發生安全事故。換支座時上擺不更換(順橋向限位與上擺為一個整體)，順橋向限位作為一個主要受力構件，應加以重視。

4 支座位移方向原因分析

通過對包神鐵路橋梁支座普查，大部分活動支座位移指向跨中方向，其原因主要分為兩方面:

1)包神鐵路大部分橋梁具有縱坡，且因為是運煤專線其重車方向明顯，以北線橋梁為例，從東勝到包頭方向為重車方向，北線大部分橋梁有縱坡且包方為較低端，則北線橋梁固定支座大部分設置在包方，支座布置符合《維規》中支座布置原則。從支座布置原則的原理解析中可知，當橋梁位于坡道上時，梁上荷載在沿梁坡道方向有一個分力，此分力有使梁體產生指向固定支座方向位移的趨勢，由于固定支座不能水平移動，則梁體會有縮短的趨勢，隨著運營時間的增長，梁體縮短就會帶動活動支座向跨中方向移動，則活動支座產生向跨中方向的位移;將固定支座設于梁的重車方向端，重車牽引力或制動力會給梁一個沿梁體指向固定支座方向的力，此力有使梁體產生指向固定支座方向位移的趨勢，由于固定支座不能水平移動，則梁體會有縮短的趨勢，隨著運營時間的增長，梁體縮短就會帶動活動支座向跨中方向移動，活動支座會產生向跨中方向的位移。

2)包神鐵路橋梁梁體采用預應力混凝土T型梁，預應力混凝土梁由于預應力筋的作用，梁體處于偏心受壓狀態，在梁體下緣預應力筋的預壓力最大，隨著運營時間的增長，梁體會產生徐變壓縮變形，其中梁體下緣徐變變形最大(方向沿預壓力方向)，即梁體下緣縮短最大，此時梁體上拱度增大。由于固定支座不能水平移動，梁體縮短就會帶動活動支座向跨中方向移動，則活動支座產生向跨中方向的位移。同理梁體混凝土的失水收縮也會加大梁體縮短，梁體縮短就會帶動活動支座向跨中方向移動，則活動支座產生向跨中方向的位移。

5 支座位移過大產生的不利影響

從以上所述可知，正常情況下，活動支座位移應指向跨中方向，即梁體縮短，梁體縮短會造成預應力損失增大，對梁體受力不利，縮短梁體壽命;如活動支座已產生較大位移，其繼續產生位移的空間會越來越小，漸漸形成活動支座不活動，活動支座不活動可能使結構體系由原來的靜定結構變為超靜定結構(即梁的兩端均為固定支座)，橋梁所受荷載尤其是活載不能得到有效緩沖，對結構受力不利，另外由于活動支座不能自由伸縮，在溫度變化、混凝土收縮徐變等因素影響下，梁體將產生較大次內力，縮短梁體壽命。

6 綜述

1)以包神鐵路支座為背景，介紹了支座的布置原則，并對布置原則從力學上進行解析，即支座的布置以減小梁體下緣所受拉力為原則。

2)以搖軸支座為例介紹活動支座的工作原理，對整治和預防支座病害具有重要意義。

3)對活動支座位移方向原因進行解析。活動支座位移指向跨中方向，此時梁體縮短即梁體受壓，可以減少梁體下緣所受拉力，符合支座布置原則，反之可以看出，支座的布置考慮了支座的位移方向;活動支座位移指向跨中方向的另一原因為梁體的收縮徐變。

4)介紹活動支座位移過大的不利影響，會造成較大預應力損失，對梁體受力不利;造成活動支座不活動，荷載不能得到有效緩沖，也有可能使梁體產生次內力，縮短梁體壽命。

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