新型盆式球型鋼支座在大嶺堡大橋中的應(yīng)用研究

陳飛龍

福建路橋建設(shè)有限公司，福建 福州 350001

0 引言

支座系統(tǒng)是橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對橋梁的耐久性具有較大的影響。目前，我國建造的公路橋梁大多數(shù)采用盆式橡膠支座和球型鋼支座。盆式橡膠支座的結(jié)構(gòu)合理，受力明確，轉(zhuǎn)動與滑動部件分離，關(guān)鍵部件置于鋼盆內(nèi)，能夠有效避免支座受到環(huán)境污染［1］，但其橡膠密封圈長期處于轉(zhuǎn)動工況，存在易磨損進而造成密封失效且橡膠本身存在老化、硬化現(xiàn)象，使用壽命不長等缺點。長安大學(xué)的許漢錚等人通過ANSYS 建立橋梁盆式橡膠支座三維模型對其豎向承載力學(xué)性能進行仿真模擬，其研究表明盆式橡膠支座在設(shè)計豎向荷載作用下的最大主應(yīng)力、豎向壓縮變形以及徑向變形均滿足設(shè)計要求［2］。河北大學(xué)的鄭軒等人采用ANSYS 模擬腐蝕對盆式支座力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明鋼盆外表面的腐蝕對支座的力學(xué)性能影響較小，但支座的最大壓縮變形受腐蝕影響較大［3］。對于球型鋼支座而言，其優(yōu)點是純鋼結(jié)構(gòu)，無橡膠老化問題且可以實現(xiàn)大轉(zhuǎn)角［4］，但球型鋼支座的球冠在轉(zhuǎn)動時需受到水平分力和豎向力的作用，球冠底部易產(chǎn)生偏壓，球冠有滑出下支座板的趨勢，轉(zhuǎn)動球冠未封閉，受力不明確、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。中國礦業(yè)大學(xué)的王高新等人通過對球型鋼支座的縱向動位移的監(jiān)測并基于支座超過磨損上限的失效概率對支座的磨損狀態(tài)進行評價，其研究表明球型鋼支座的動位移累加行程與加載次數(shù)呈線性相關(guān)［5］。西南交通大學(xué)的宋曉東等人通過在球型鋼支座的滑動面填充高抗凍性硅脂使得傳統(tǒng)的球型鋼支座具備耐嚴寒能力［6］。綜上所述，盡管盆式橡膠支座和球型鋼支座具備較為優(yōu)異的力學(xué)性能，但兩者仍存在使用壽命較短，無法達到全壽命設(shè)計的要求。

河北橋致通科技有限公司的周振宇等人研發(fā)了一種新型盆式球型鋼支座（CJPQGZ 型）［7］，該新型支座綜合考慮了盆式橡膠支座和球型支座的性能特點長處，進一步改善了傳統(tǒng)橋梁支座的力學(xué)性能以及耐久性能，同時避免了盆式橡膠支座和球型支座不足之處。本文以延崇高速大嶺堡大橋的工程實際應(yīng)用對新型盆式球型鋼支座的優(yōu)點、力學(xué)性能、安裝工藝進行研究，為新型盆式球型鋼支座的推廣應(yīng)用以及類似工程提供參考依據(jù)。

1 新型盆式球型鋼支座(CJPQGZ 型)概述

新型盆式球型鋼支座綜合考慮了盆式橡膠支座和球型支座的優(yōu)點，將使用鋁合金材料制成球冠代替橡膠墊，解決了傳統(tǒng)橡膠墊長期受環(huán)境影響導(dǎo)致的硬化、老化等問題，且鋁合金的球冠具備強度高、耐腐蝕以及重量輕的特點。該新型支座的滑板采用網(wǎng)狀分子聚四氟乙烯材料替代傳統(tǒng)的純聚四氟乙烯材料，有效提高了耐磨性和抗壓強度。該新型支座表面采用了冷噴鋅防腐涂料，能夠為支座提供陰極保護，在支座長期工作中不遭銹蝕。由于該支座不采用橡膠承壓，因此不存在橡膠老化對支座轉(zhuǎn)動性能的影響，特別適用于寒冷地區(qū)。此外，該新型支座轉(zhuǎn)動功能是通過活塞與球冠之間的相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，水平位移是通過上支座板在活塞上滑動來實現(xiàn)，進而實現(xiàn)轉(zhuǎn)動與滑動部件的分離，因此受力更加明確，減少了滑動位移累積量，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 盆式球鋼支座（CJPQGZ 型）構(gòu)造圖

2 新型盆式球型鋼支座(CJPQGZ 型)力學(xué)性能試驗

本文以新型盆式球鋼支座（CJPQGZ-4000-DX）為試驗樣品（支座高度135 mm、盆環(huán)外徑460 mm、設(shè)計荷載4000kN），在試驗室內(nèi)溫度22℃放置24 小時后進行檢測，主要檢測指標(biāo)為豎向承載性能、轉(zhuǎn)動性能及摩擦系數(shù)。檢測儀器為電液伺服壓剪試驗機，型號為YJW-8000（SY152），執(zhí)行依據(jù)《公路橋梁球型支座》（GB/T17955-2009）［8］。

2.1 豎向承載力試驗結(jié)果及分析

本文對該新型支座采用分級加載進行豎向承載力試驗，每級承載力下進行3 次試驗，取3 次試驗結(jié)果的平均值作為每級承載力下的豎向壓縮變形值和盆環(huán)徑向變形值，試驗數(shù)據(jù)如表2 所示。分析可知，當(dāng)支座在豎向設(shè)計承載力達到4000kN 時，壓縮變形值達到了1.025mm，盆環(huán)徑向變形值達到了0.006mm。

豎向壓縮變形與支座的高度之比作為豎向壓縮變形率，經(jīng)計算得出各級承載力下的豎向壓縮變形率繪制成曲線如圖2 所示；可知，支座在設(shè)計豎向承載力4000kN 下的壓縮變形率為0.759%，符合技術(shù)規(guī)范要求（≯1%）。盆環(huán)徑向變形率為盆環(huán)徑向變形與盆環(huán)外徑之比，經(jīng)計算得出各級豎向承載力下的盆環(huán)徑向變形率繪制成曲線如圖3 所示。分析可知，當(dāng)支座在設(shè)計豎向承載力達到4000kN 時，盆環(huán)徑向變形率達到0.013‰，遠小于技術(shù)規(guī)范要求（≯0.5‰）。

由上述計算結(jié)果可知該支座豎向承載力均可滿足技術(shù)規(guī)范要求，具有良好的承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向極限荷載性能。

圖2 豎向壓縮變形率曲線圖

圖3 盆環(huán)上口變形率曲線圖

2.2 轉(zhuǎn)動性能試驗結(jié)果及分析

對支座進行設(shè)計豎向荷載下的轉(zhuǎn)動性能試驗，進行3 次試驗，試驗數(shù)據(jù)如表3 所示，轉(zhuǎn)動力矩計算公式：

式中：M0—轉(zhuǎn)動力矩；

P—豎向荷載；

L—轉(zhuǎn)動力臂。

由式（1）計算第1～3 次試驗結(jié)果分別為：M01=75810.0、M02=75810.0、M03=75600.0；

轉(zhuǎn)動力矩3 次試驗計算結(jié)果平均值為75740，可知滿足技術(shù)規(guī)范要求（＜79200），表明該支座在設(shè)計荷載作用下可保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動性能。

表2 分級加載下豎向壓縮變形/盆環(huán)徑向變形試驗結(jié)果

表3 轉(zhuǎn)動性能試驗結(jié)果

2.3 摩擦系數(shù)試驗結(jié)果及分析

對支座進行設(shè)計豎向荷載下的摩擦系數(shù)試驗，進行5 次試驗，試驗數(shù)據(jù)如表4 所示，摩擦系數(shù)計算公式：

式中：μ—摩擦系數(shù)

N—剪切力

F—豎向壓力

由式（2）計算第1～5 次試驗結(jié)果分別為：μ1=0.026、μ2=0.021、μ3=0.021、μ4=0.021、μ5=0.021；

選取摩擦系數(shù)第2～5 次試驗計算結(jié)果的平均值為0.021，可知滿足技術(shù)規(guī)范要求（＜0.030）；表明了支座具有更優(yōu)的低摩擦系數(shù)與自潤滑性能。

表4 摩擦系數(shù)試驗結(jié)果

3 新型盆式球型鋼支座(CJPQGZ 型)在大嶺堡大橋的應(yīng)用

3.1 工程概況

大嶺堡大橋位于延崇高速公路河北段赤城縣，氣候較為寒冷，橋梁全長337.75m；上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁，先簡支后連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩。全橋共使用新型全壽命盆式球型鋼支座（CJPQGZ 型）156 個，其中固定型（GD）設(shè)置12 個，縱向活動型（ZX）設(shè)置40 個、橫向活動型（HX）設(shè)置24 個、多向活動型（DX）設(shè)置80 個。

3.2 支座安裝前準備工作

在該新型支座安裝前，對支座各部件外觀進行檢查。然后對墊石表面進行清理，保證梁底與墊石平行平整，支承墊石頂面任何兩個高差≤2mm。如果墊石標(biāo)高偏低，則在支座底襯墊相應(yīng)厚度鋼板；如果墊石標(biāo)高偏高，則用角磨機將高出的墊石混凝土磨掉；如果不平，用1～3mm 薄鋼板或環(huán)氧砂漿進行調(diào)整。

3.3 支座的安裝工藝

該新型支座采用預(yù)留孔道與錨固螺栓的連接方式，在蓋梁頂面及支承墊石部位設(shè)置帶有PVC 套筒的預(yù)留孔道，安裝前將預(yù)留在墊石中PVC 套筒用電錘破碎并鑿毛孔壁，鑿毛支座就位接觸面的墊石表面，把預(yù)埋孔底的浮漿及雜物清理干凈，并將墊石表面噴水霧潤濕（見圖4）。支座安裝前，為了確保支座的安裝位置準確，應(yīng)按設(shè)計要求在分別在支承墊石和支座上標(biāo)出位置中心線，并按設(shè)計要求正確放置盆式球型鋼支座的類型。支座安放時要求墩臺支座的中心線與支座底板的中心線對齊，且標(biāo)高符合設(shè)計要求，其四角高差應(yīng)≤2mm。采用高強度特種砂漿重力式灌注地腳螺栓孔及支座底板墊層。用小型機具把特種砂漿原料配比水混合攪拌均勻，經(jīng)現(xiàn)場試驗確定，留取試樣，估算所需漿液體積，備料充足后進行一次灌滿，使灌漿料充分的和支座進行接觸，排除空氣，灌注過程要連續(xù)避免中斷，觀察其漿體全部填充密實為止。支座安裝完畢后，檢查與支撐墊石是否平行以及平面位置、標(biāo)高是否達到設(shè)計要求，確認無誤后，再落梁，支座順橋向中心線須與主墩中心線垂直或平行（見圖5）。

圖4 墊石鑿毛

圖5 支座底部安裝及灌漿完成

采用螺栓連接（或者焊接）的形式將支座與T 梁預(yù)埋鋼板連接牢固，當(dāng)使用焊接形式時，應(yīng)采用對稱斷續(xù)焊接方式并采取降溫措施，防止支座頂板過熱而損壞滑板和橡膠密封圈。當(dāng)梁體架設(shè)完畢后，需對支座作如下檢查：是否存在偏斜；是否與支撐墊石有脫開；是否有開裂（見圖6）。

圖6 支座安裝完成

4 結(jié)論

本文通過對新型盆式球型鋼支座（CJPQGZ 型）的力學(xué)性能試驗、安裝工藝進行研究，并在大嶺堡大橋工程進行應(yīng)用，研究表明相對于常規(guī)的盆式橡膠支座和球形鋼支座具有性能優(yōu)、耐久性好的特點；同時該新型支座的承壓滑板采用了網(wǎng)狀分子聚四氟乙烯材料，具備優(yōu)異的耐磨性和抗壓強度，滿足支座100km 磨耗100 年使用壽命的需求，能夠使支座與橋梁達到同樣的使用年限，延長了支座維護周期從而節(jié)約費用，為普及和推廣在新建橋梁上使用提供一定的參考依據(jù)。