一種坡度自適應球型支座的力學性能研究

尤福賀，杜海鑫，孫 堯，冀 祥，李明澤

(1.遼寧北方橡塑機械有限公司 沈陽市 110103； 2.遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

在我國的公路橋梁建設中，橋梁球型支座和公路橋梁盆式支座，由于承載力高、質量穩(wěn)定，已經使用多年。在長期的使用過程中，一直存在橋墩偏位以及衍生病害。主要原因是橋梁施工過程中，對支座安裝的把控不到位，使支座的性能受限，造成橋梁病害的產生。急需一種新型支座，不僅能滿足橋梁對支座的使用要求，還能解決此類問題。坡度自適應球型支座不僅能應對建成項目的橋墩偏位問題，也能在新建項目中從根本上解決公路橋梁高墩偏位的問題，保證橋梁結構的安全運行。

1 支座設計

坡度自適應球型支座在設計上做了兩個方面的改進，即改變水平滑動面的位置和改變限位結構。

(1)改變水平滑動面的位置。傳統(tǒng)球型支座水平滑動面設置在支座上鋼板，支座產生位移時支座上水平鋼板隨著梁板位移，球冠襯板和下支座板固定在橋臺上靜止不動。而坡度自適應球型支座與傳統(tǒng)球型支座相反，水平滑動面設置在支座下鋼板，支座產生位移時支座下水平鋼板不動，梁板帶動支座上鋼板和球冠襯板位移。與傳統(tǒng)球型支座比較優(yōu)點在于：傳統(tǒng)支座固定支點不變(球冠襯板靜止，沿支座軸線發(fā)生偏轉)，支座產生較大位移時產生力矩，影響支座的豎向承載力和水平位移；坡度自適應球型支座球冠襯板隨位移產生移動，支點是變化的，因而不產生力矩，不影響支座承載力和位移，且支座的整體高度也不會發(fā)生變化。

(2)改變限位結構。橋梁在設計時會對支座的外形尺寸進行約束，在相同的尺寸約束下，通過限位方式的改變可以獲得更大尺寸的球冠襯板，支座的承載、轉動等性能得到增強，主要是獲得更大的轉角。

該系列支座除了可滿足豎向承載力外，最大轉角可達0.05rad，摩擦系數(shù)不大于0.03。

坡度自適應球型支座的構造示意圖見圖1。支座由錨固件、下支座板、球冠襯板、上支座板、高分子材料滑板(平面和球面各一塊，以下簡稱滑板)、不銹鋼滑板、橡膠密封圈、臨時連接組件及防塵罩等部件組成。

坡度自適應球型支座按其工作特性可分為固定型、單向型和多向型三種類型。單向型是通過在球冠襯板上設置導向槽，在下支座板中間設置導向鍵來約束支座進行單向活動。固定型是在球冠襯板上設置固定銷，在下支座板中間設置定位孔來約束支座的多向活動，如圖2所示。

2 力學性能研究

在坡度自適應球型支座的設計過程中，參照《橋梁支座》[1](第四版)中的第六章球面與柱面鋼支座中的參數(shù)和計算方法，對坡度自適應球型支座進行了有限元應力分析，包括剛性支承下坡度自適應球型支座的應力分布、彈性支承下坡度自適應球型支座的應力分布、坡度自適應球型支座上支承混凝土應力分布。

通過坡度自適應球型支座的性能試驗和有限元應力分析，表明坡度自適應球型支座的傳力可靠、轉動靈活。它既具備盆式支座承載能力大、容許支座位移大等特點，而且能更好地適應支座大轉角的需要。

某檢測機構對坡度自適應球型支座的力學性能進行研究，研究內容包括：基本力學性能、轉動性能、摩擦裝置的性能。試驗圖片見圖3，試驗結果如表1，試驗曲線見圖4、圖5。

圖3 力學性能試驗現(xiàn)場照片

圖4 摩擦系數(shù)曲線

圖5 豎向變形曲線

根據檢測機構的《坡度自適應球型支座力學性能實驗研究報告》[2]，支座的力學性能、轉動性能、摩擦裝置的性能均滿足設計預期。

3 性能優(yōu)勢

坡度自適應球型支座的結構設計使其擁有穩(wěn)定的性能。通過改變限位方式，同規(guī)格下可擁有更大的承載力和轉角。通過使用新型高分子滑板材料獲得更小的摩擦系數(shù)。下面對適用于公路橋梁的三種鋼支座進行橫向對比(見表2)。

表1 力學性能試驗結果

4 結語

坡度自適應球型支座作為傳統(tǒng)橋梁球型支座和公路橋梁盆式支座的對標產品，擁有更小的體積、更大的轉角、更好的轉動性能、更簡單的安裝工藝、更合理的結構等優(yōu)勢，同時可滿足直、曲線橋梁對支座的性能需求。

該產品已在省級設計院研究課題中得到應用，在遼寧省高速公路高墩糾偏應急處理項目中，使用坡度自適應球型支座對涉及的37個橋墩(共計7條高速，25座橋梁)上的原有盆式支座進行替換。項目完成后的墩柱豎直度檢測過程中，也對新更換的支座進行了調查。從現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)支座本身未見明顯的損壞和較大的縱向滑移；支座兩側水平液位計中氣泡基本處于中間位置。說明新支座應用效果較好，可以自動調節(jié)梁底坡度。通過對橋墩糾偏前后豎直度對比看出，更換新支座后，主要問題是橋墩糾偏的均出現(xiàn)了不同程度的復位現(xiàn)象，個別橋墩的復位值達到糾偏值的70%以上。

表2 支座對比表

坡度自適應球型支座不僅可以在建成項目中用來解決高墩偏位問題，也可作為升級迭代產品應用在新建項目中，避免此類病害產生。