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。與傳統球型支座比較優點在于：傳統支座固定支點不變(球冠襯板靜止，沿支座軸線發生偏轉)，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 力學性能試驗現場照片

圖4 摩擦系數曲線

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 性能優勢

坡度自適應球型支座的結構設計使其擁有穩定的性能。通過改變限位方式，同規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。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。從現場調查發現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了不同程度的復位現象，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。