GTQZ型可調(diào)節(jié)高度的鋼支座研究

張 斌

（上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海市 200065）

1 概述

現(xiàn)澆混凝土橋盡管具有整體性好、空間造型自由等優(yōu)點(diǎn)，與預(yù)制裝配式混凝土橋結(jié)構(gòu)相比卻存在諸多弊端。主要表現(xiàn)在以下方面：施工周期長、易堵塞交通、施工質(zhì)量難以保證、勞動(dòng)力成本高、資源浪費(fèi)大、環(huán)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(dǎo)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(shí)期我國的橋梁的發(fā)展方向。

裝配化橋梁固然有它的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也有它的特殊之處。做為橋梁的配套構(gòu)件，應(yīng)當(dāng)要對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品做出改變以適應(yīng)它的特點(diǎn)。

支座設(shè)置于梁與墩（墊石）之間。梁底標(biāo)高與墊石頂面標(biāo)高存在施工誤差。針對(duì)該誤差，如果是現(xiàn)澆梁，則一般將誤差轉(zhuǎn)移到支座頂面，用現(xiàn)澆混凝土調(diào)整。如果是預(yù)制梁現(xiàn)澆墩，則可將誤差轉(zhuǎn)移到支座底面，壓力灌注環(huán)氧砂漿或高強(qiáng)混凝土調(diào)整。對(duì)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?jī)?nèi)容“可調(diào)節(jié)高度的鋼支座”，即是為解決此問題。

以前也有對(duì)支座調(diào)高的市場(chǎng)需求。例如針對(duì)基礎(chǔ)沉降可能引起支座脫空現(xiàn)象，需要支座高度可調(diào)進(jìn)行補(bǔ)償，一般多為上升調(diào)整。很多廠家進(jìn)行過針對(duì)性設(shè)計(jì)，如采用增加薄鋼板方式、斜面調(diào)整方式等。也有采用螺紋調(diào)節(jié)方式，甚至還有采用壓漿的方式。

現(xiàn)有的螺紋調(diào)節(jié)方案，要求螺紋既用來調(diào)節(jié)支座高度，又要求螺紋做為最終傳力構(gòu)造存在，因此螺紋須做大做強(qiáng)，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(shí)也提升了支座的加工難度。

另外，現(xiàn)有的單純采用壓漿的方式進(jìn)行支座調(diào)高并同時(shí)傳遞荷載，對(duì)灌注系統(tǒng)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(shè)計(jì)依據(jù)

（1）GB/T 17955，球型支座技術(shù)條件；

（2）JT/T 391，公路橋梁盆式橡膠支座；

（3）GB/T 699，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)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(guī)范；

（6）GB/T3077，合金結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

支座基本結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

圖1 支座外形輪廓圖

圖2 支座半剖結(jié)構(gòu)圖

4 支座功能及特點(diǎn)

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(dòng)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(dòng)摩擦阻力，在平面耐磨滑板上設(shè)置儲(chǔ)脂坑，儲(chǔ)脂坑內(nèi)預(yù)先儲(chǔ)有5201硅脂油。

4.1.2 支座的轉(zhuǎn)動(dòng)功能

支座的轉(zhuǎn)動(dòng)由轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力，在球面耐磨滑板上設(shè)置儲(chǔ)脂坑，儲(chǔ)脂坑內(nèi)預(yù)先儲(chǔ)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(qiáng)快凝漿料，底盆，最后傳遞給墊石及墩臺(tái)。由于各構(gòu)件中相對(duì)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?jī)?nèi)容是基于普通球型支座的基礎(chǔ)上構(gòu)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(shí)現(xiàn)無極調(diào)整。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，設(shè)計(jì)調(diào)整范圍±10 mm。

5 支座調(diào)高及傳力方案設(shè)計(jì)

5.1 調(diào)高方案設(shè)計(jì)

在凹面襯板與底盆相對(duì)位置設(shè)計(jì)螺紋副，螺紋副的作用是用來實(shí)現(xiàn)支座的無極調(diào)高（見圖3）。支座出廠時(shí)，螺紋副應(yīng)旋合至中間位置。當(dāng)需要調(diào)整支座高度，可以順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)支座高度的上升或者下降。

另外，針對(duì)單向活動(dòng)型支座和固定性支座，螺紋副的旋合長度設(shè)計(jì)不但要考慮調(diào)高到極限時(shí)的長度，同時(shí)也需要考慮支座水平方向的傳力。即旋合到極限位置時(shí)，h不能為0。

圖3 螺紋副圖

5.2 傳力方案設(shè)計(jì)

當(dāng)螺紋旋合到設(shè)計(jì)位置后，凹面襯板底面與底盆內(nèi)頂面可能形成一個(gè)空腔。當(dāng)存在空腔時(shí)，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(qiáng)度不夠，螺紋破壞，凹面襯板及以上部分則會(huì)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(shè)計(jì)方案：方案一是增加螺紋強(qiáng)度，達(dá)到足夠承擔(dān)上部荷載的能力，即螺紋的承載力大于或等于支座的設(shè)計(jì)荷載；方案二是對(duì)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(jīng)過填塞物質(zhì)傳遞給底盆，降低對(duì)螺紋強(qiáng)度的要求。

針對(duì)方案一，論文作者以設(shè)計(jì)豎向荷載3 000 kN型支座為例進(jìn)行了設(shè)計(jì)，結(jié)果如下：

根據(jù)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(shè)計(jì)因素，支座的設(shè)計(jì)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(duì)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(dá)到無極調(diào)高的要求，因此需要摒棄。另一種為灌注高強(qiáng)快凝漿料。這是一種可以無限制填滿空腔的方案。

經(jīng)過對(duì)豎向荷載3 000 kN型支座為例進(jìn)行了設(shè)計(jì)，結(jié)果如下：

空腔的平均高度為10 mm（設(shè)計(jì)為0～20 mm），底盆的內(nèi)徑360 mm，需要漿料約4kg，成本約100元。加上現(xiàn)場(chǎng)施工人員的工資，不會(huì)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(qiáng)度即可達(dá)到38 MPa，28 d后可達(dá)90 MPa，遠(yuǎn)超盆式橡膠支座的橡膠板承壓強(qiáng)度25 MPa，承壓能力達(dá)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(xué)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(nèi)部產(chǎn)生間隙的問題。

6 支座試驗(yàn)研究

6.1 支座調(diào)高試驗(yàn)

6.1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)?zāi)Ｐ停篏TQZ3.0DX型調(diào)高支座1座（含錨固螺栓）；CGM-T800混合料5 kg。

試驗(yàn)設(shè)備：10MN壓剪試驗(yàn)機(jī)1臺(tái)；SJB-D60手動(dòng)加油泵1臺(tái)；直徑Φ16長500 mm工具棒（圓鋼）1個(gè)；帶螺紋孔T型塊8件，電子秤1臺(tái)。

6.1.2 試驗(yàn)步驟

（1）將支座置于10 MN壓剪試驗(yàn)機(jī)工作臺(tái)上，中心對(duì)正。

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

圖4 閉合試驗(yàn)機(jī)上、下板

（3）用螺栓分別將支座頂板、底板與試驗(yàn)機(jī)上、下板連接起來。

（4）用工具棒插入支座中部旋轉(zhuǎn)孔，單人單手轉(zhuǎn)動(dòng)支座，感知轉(zhuǎn)動(dòng)阻力。

（5）轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)圈后，測(cè)量支座頂板與試驗(yàn)機(jī)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(shí)針還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，待不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量支座最終調(diào)整范圍。

（7）將支座旋轉(zhuǎn)至最高位置（上升10 mm）后，用手動(dòng)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(shí)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(jì)算值比較。

6.1.3 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)步驟（4），可根據(jù)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(jì)算需要施加力F。計(jì)算公

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

針對(duì)步驟（6），經(jīng)測(cè)量后，如間隙可在±10 mm內(nèi)調(diào)整，即說明支座調(diào)高量設(shè)計(jì)是正確的。

針對(duì)步驟（8），經(jīng)測(cè)量后，如果泵入實(shí)際重量與理論計(jì)算值吻合，說明泵入的灌漿料密實(shí)。

6.2 支座承載力試驗(yàn)

6.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)?zāi)Ｐ停篏TQZ3.0DX型調(diào)高支座1座（已做完調(diào)高試驗(yàn)并灌漿1 d后）。

試驗(yàn)設(shè)備：10 MN壓剪試驗(yàn)機(jī)1臺(tái)；百分表4件。

6.2.2 試驗(yàn)步驟

（1）以支座豎向設(shè)計(jì)承載力3 000 kN為預(yù)壓載荷，對(duì)支座預(yù)壓3次；卸壓到15 kN后，而再加載力，完成循環(huán)過程。

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

（3）以支座豎向設(shè)計(jì)承載力1.5倍即4 500 kN為檢驗(yàn)載荷，并將其分為10級(jí)，逐級(jí)對(duì)支座加載。初始?jí)毫ψ鳛榈?級(jí)，在豎向設(shè)計(jì)承載力下，加讀1級(jí)變形；共計(jì)11級(jí)。加載至每級(jí)載荷時(shí)，穩(wěn)壓2 min，分別讀取百分表和千分表數(shù)據(jù)。加載至檢驗(yàn)載荷時(shí)穩(wěn)壓3 min，卸載至初始?jí)毫Γ涗洑堄嘧冃巍Ｒ陨线^程重復(fù)3個(gè)循環(huán)。

6.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

（1）豎向壓縮變形取每級(jí)加載4只百分表的算術(shù)平均值，作為該次該級(jí)加載的測(cè)試結(jié)果。

（2）盆環(huán)徑向變形取每級(jí)加載同一直徑方向的兩只千分表實(shí)測(cè)結(jié)果之和作為該直徑方向的變形；兩個(gè)直徑方向變形的平均值，作為該次該級(jí)加載的測(cè)試結(jié)果。

（3）支座在豎向設(shè)計(jì)承載力作用下，豎向壓縮變形、盆環(huán)徑向變形參照J(rèn)T/T 391《公路橋梁盆式橡膠支座》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

7 結(jié)論

本研究的“GTQZ型可調(diào)節(jié)高度的鋼支座”是以球型支座為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。球型支座具有轉(zhuǎn)角大、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小、承載能力大、無老化因素等優(yōu)點(diǎn)，是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的一種性能良好的橋梁支座。“GTQZ型可調(diào)節(jié)高度的鋼支座”除調(diào)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(diào)高部件的性能即可。

采用螺紋副調(diào)高，是調(diào)高方案中最簡(jiǎn)單的方法。螺紋副的加工具有成熟的工藝。采用高強(qiáng)快凝漿料做為傳力介質(zhì)，對(duì)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(chǔ)試驗(yàn)及應(yīng)用豐富。完全稱得上是一種可行并且優(yōu)異的調(diào)高支座方案。支座一旦經(jīng)過必要的型式試驗(yàn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，可以放心應(yīng)用于各種橋梁工程。