GTQZ型可調節高度的鋼支座研究

張 斌

（上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市 200065）

1 概述

現澆混凝土橋盡管具有整體性好、空間造型自由等優點，與預制裝配式混凝土橋結構相比卻存在諸多弊端。主要表現在以下方面：施工周期長、易堵塞交通、施工質量難以保證、勞動力成本高、資源浪費大、環境污染重、施工安全性差等方面。另外，我國近年來也在大力倡導鋼橋，而鋼橋更宜采用裝配化施工。裝配式橋梁是今后一段時期我國的橋梁的發展方向。

裝配化橋梁固然有它的優勢，同時也有它的特殊之處。做為橋梁的配套構件，應當要對現有的產品做出改變以適應它的特點。

支座設置于梁與墩（墊石）之間。梁底標高與墊石頂面標高存在施工誤差。針對該誤差，如果是現澆梁，則一般將誤差轉移到支座頂面，用現澆混凝土調整。如果是預制梁現澆墩，則可將誤差轉移到支座底面，壓力灌注環氧砂漿或高強混凝土調整。對于全裝配式橋梁，不太方便在此階段做混凝土灌漿施工，因而需要另尋途徑。本研究內容“可調節高度的鋼支座”，即是為解決此問題。

以前也有對支座調高的市場需求。例如針對基礎沉降可能引起支座脫空現象，需要支座高度可調進行補償，一般多為上升調整。很多廠家進行過針對性設計，如采用增加薄鋼板方式、斜面調整方式等。也有采用螺紋調節方式，甚至還有采用壓漿的方式。

現有的螺紋調節方案，要求螺紋既用來調節支座高度，又要求螺紋做為最終傳力構造存在，因此螺紋須做大做強，甚至普通的三角形螺紋完全滿足不了荷載要求，必須采用梯形螺紋才能滿足要求。這種方案增加了支座的體積同時也提升了支座的加工難度。

另外，現有的單純采用壓漿的方式進行支座調高并同時傳遞荷載，對灌注系統的密封性能提出了過高的要求，使支座的制造難度大大提升。

2 設計依據

（1）GB/T 17955，球型支座技術條件；

（2）JT/T 391，公路橋梁盆式橡膠支座；

（3）GB/T 699，優質碳素結構鋼技術條件；

（4）GB/T 3280，不銹鋼冷軋鋼板；

（5）GJB 3026，聚四氟乙烯大型板材規范；

（6）GB/T3077，合金結構鋼；

（7）JB/T 6402，大型低合金鋼鑄件；

（8）HG/T 2502，5201 硅脂。

3 支座基本結構

支座基本結構見圖1、圖2。

圖1 支座外形輪廓圖

圖2 支座半剖結構圖

4 支座功能及特點

4.1 支座的基本功能

4.1.1 支座的滑移功能

支座的滑移由滑動副完成，包括焊接固定在支座頂板上的鏡面不銹鋼板與鑲嵌在球冠襯板上的平面耐磨滑板相互作用完成。為了降低滑動摩擦阻力，在平面耐磨滑板上設置儲脂坑，儲脂坑內預先儲有5201硅脂油。

4.1.2 支座的轉動功能

支座的轉動由轉動副完成，包括球冠襯板的球形面（鍍鉻）與鑲嵌在凹面板上的球面耐磨滑板相互作用完成。為了降低轉動摩擦阻力，在球面耐磨滑板上設置儲脂坑，儲脂坑內預先儲有5201硅脂油。

4.1.3 支座的承載及傳遞荷載功能

橋梁的豎向荷載從上至下分別通過支座頂板，鏡面不銹鋼板，平面耐磨滑板，球冠襯板，球面耐磨滑板，凹面板，高強快凝漿料，底盆，最后傳遞給墊石及墩臺。由于各構件中相對抗壓性能較弱的是平面及球面耐磨滑板，因此支座的承載能力大小主要取決于平面及球面耐磨滑板的投影面積大小。

4.2 支座的特殊功能

本研究內容是基于普通球型支座的基礎上構造的一種新型支座，其基本功能和球型支座是一致的，特殊之處在于支座的高度可實現無極調整。根據現場需要，設計調整范圍±10 mm。

5 支座調高及傳力方案設計

5.1 調高方案設計

在凹面襯板與底盆相對位置設計螺紋副，螺紋副的作用是用來實現支座的無極調高（見圖3）。支座出廠時，螺紋副應旋合至中間位置。當需要調整支座高度，可以順時針或逆時針旋轉實現支座高度的上升或者下降。

另外，針對單向活動型支座和固定性支座，螺紋副的旋合長度設計不但要考慮調高到極限時的長度，同時也需要考慮支座水平方向的傳力。即旋合到極限位置時，h不能為0。

圖3 螺紋副圖

5.2 傳力方案設計

當螺紋旋合到設計位置后，凹面襯板底面與底盆內頂面可能形成一個空腔。當存在空腔時，則支座上部傳遞下來的荷載將通過螺紋傳遞。如果螺紋的強度不夠，螺紋破壞，凹面襯板及以上部分則會下落，造成支座的高度降低，影響支座的正常使用。

在此，有兩種設計方案：方案一是增加螺紋強度，達到足夠承擔上部荷載的能力，即螺紋的承載力大于或等于支座的設計荷載；方案二是對此空腔填塞，讓凹面襯板傳遞下來的力不通過螺紋傳遞，而是經過填塞物質傳遞給底盆，降低對螺紋強度的要求。

針對方案一，論文作者以設計豎向荷載3 000 kN型支座為例進行了設計，結果如下：

根據抗剪理論。螺紋副直徑360 mm，螺紋副長度至少為76 mm，除去一些其它設計因素，支座的設計高度比采用非承載螺紋高出近70 mm，支座整體重量則增加約77 kg，支座成本增加約1 900元。

針對方案二，又有兩種方法。一種為填塞薄鋼板。但無論多薄的鋼板，均無法達到無極調高的要求，因此需要摒棄。另一種為灌注高強快凝漿料。這是一種可以無限制填滿空腔的方案。

經過對豎向荷載3 000 kN型支座為例進行了設計，結果如下：

空腔的平均高度為10 mm（設計為0～20 mm），底盆的內徑360 mm，需要漿料約4kg，成本約100元。加上現場施工人員的工資，不會超過150元。

通過比較，方案二比方案一制造成本降低許多，因此成為本研究的最終選擇方案。

從表1中可以看出，該材料在1 d后抗壓強度即可達到38 MPa，28 d后可達90 MPa，遠超盆式橡膠支座的橡膠板承壓強度25 MPa，承壓能力達到甚至超過普通盆式橡膠支座是完全沒有問題的。

表1 本研究采用的灌漿料（CGM-T800）力學性能表

另外，從表1中也可以看出，該漿料在灌注固化后，是膨脹的，因此不需要考慮材料收縮引起支座內部產生間隙的問題。

6 支座試驗研究

6.1 支座調高試驗

6.1.1 試驗準備

試驗模型：GTQZ3.0DX型調高支座1座（含錨固螺栓）；CGM-T800混合料5 kg。

試驗設備：10MN壓剪試驗機1臺；SJB-D60手動加油泵1臺；直徑Φ16長500 mm工具棒（圓鋼）1個；帶螺紋孔T型塊8件，電子秤1臺。

6.1.2 試驗步驟

（1）將支座置于10 MN壓剪試驗機工作臺上，中心對正。

（2）逐漸閉合試驗機上、下板，直至支座頂板距離試驗機上板面10 mm處停止閉合，見圖4。

圖4 閉合試驗機上、下板

（3）用螺栓分別將支座頂板、底板與試驗機上、下板連接起來。

（4）用工具棒插入支座中部旋轉孔，單人單手轉動支座，感知轉動阻力。

（5）轉動數圈后，測量支座頂板與試驗機上板間隙是否變化（初始值為10 mm）。間隙變小，支座高度增加；間隙增大，支座高度降低。

（6）支座無論順時針還是逆時針旋轉，待不能繼續轉動時，測量支座最終調整范圍。

（7）將支座旋轉至最高位置（上升10 mm）后，用手動加油泵從支座灌漿孔泵入CGM-T800混合料，待漿料從溢漿口溢出時停止泵入，擰緊灌漿孔和溢漿孔堵頭。

（8）用電子秤秤量泵入漿料重量，并與計算值比較。

6.1.3 試驗結果

針對步驟（4），可根據支座自身重量N，螺紋中徑d2，螺紋升角λ，摩擦角fv，工具棒長度l等計算需要施加力F。計算公

單人單手 ，對于GTQZ3.0DX型支座，需施加50 N左右的力。這對一個成年人來說，是很輕松的。即使對于GTQZ10.0DX型支座，需施加力也不會超過150 N。對于更大噸位的支座，可采用加長工具棒，或增加工具棒數量由多人共同作用的辦法完成調高過程。

針對步驟（6），經測量后，如間隙可在±10 mm內調整，即說明支座調高量設計是正確的。

針對步驟（8），經測量后，如果泵入實際重量與理論計算值吻合，說明泵入的灌漿料密實。

6.2 支座承載力試驗

6.2.1 試驗準備

試驗模型：GTQZ3.0DX型調高支座1座（已做完調高試驗并灌漿1 d后）。

試驗設備：10 MN壓剪試驗機1臺；百分表4件。

6.2.2 試驗步驟

（1）以支座豎向設計承載力3 000 kN為預壓載荷，對支座預壓3次；卸壓到15 kN后，而再加載力，完成循環過程。

（2）在支座頂、底板間對稱安裝4只百分表，測支座豎向壓縮變形；在底盆盆環上口相互垂直的直徑方向安裝4只千分表，測支座盆環徑向變形。

（3）以支座豎向設計承載力1.5倍即4 500 kN為檢驗載荷，并將其分為10級，逐級對支座加載。初始壓力作為第1級，在豎向設計承載力下，加讀1級變形；共計11級。加載至每級載荷時，穩壓2 min，分別讀取百分表和千分表數據。加載至檢驗載荷時穩壓3 min，卸載至初始壓力，記錄殘余變形。以上過程重復3個循環。

6.2.3 試驗結果

（1）豎向壓縮變形取每級加載4只百分表的算術平均值，作為該次該級加載的測試結果。

（2）盆環徑向變形取每級加載同一直徑方向的兩只千分表實測結果之和作為該直徑方向的變形；兩個直徑方向變形的平均值，作為該次該級加載的測試結果。

（3）支座在豎向設計承載力作用下，豎向壓縮變形、盆環徑向變形參照JT/T 391《公路橋梁盆式橡膠支座》標準規定值。

7 結論

本研究的“GTQZ型可調節高度的鋼支座”是以球型支座為基礎設計的。球型支座具有轉角大、轉動力矩小、承載能力大、無老化因素等優點，是業內公認的一種性能良好的橋梁支座。“GTQZ型可調節高度的鋼支座”除調高部分，其余零部件與普通球型支座無異。因此，只需要研究調高部件的性能即可。

采用螺紋副調高，是調高方案中最簡單的方法。螺紋副的加工具有成熟的工藝。采用高強快凝漿料做為傳力介質，對于橋梁支座的安裝也并不陌生。

因此，將這幾種成熟的工藝揉合在本研究中，不但理論可行，而且基礎試驗及應用豐富。完全稱得上是一種可行并且優異的調高支座方案。支座一旦經過必要的型式試驗，達到設計要求后，可以放心應用于各種橋梁工程。