橋梁調高測力支座的性能研究*

劉源保 鄧萬軍 伍大成 王劍明 鄒貽軍 梁家勇

(1.江西省交通投資集團有限責任公司贛州管理中心 贛州 341600；2.江西省交通投資集團有限責任公司項目建設管理公司 南昌 341600；3.成都濟通路橋科技有限公司 成都 611430)

橋墩的不均勻沉降是引發多個支座間受力不均的主要因素，嚴重影響了橋梁的壽命和運營安全[1]。因此，需要定期檢測橋梁支座的受力狀態并對支座高度進行調整。傳統的支座本身不具備調節高度的功能，橋墩出現不均勻沉降時需要通過千斤頂頂升橋梁梁體后，在梁體與支座間增加墊板來改善支座受力。這種方式一般需要中斷交通，且施工復雜。目前，隨著螺紋調高、楔形塊調高、填充調高和液壓調高等技術的發展，調高支座正得到越來越多的應用。

調高支座作為一種新興的支座，其性能特點是學者們關注的重點。羅輝等[2-3]應用數值仿真和試驗方法對一種螺紋調高支座展開研究，驗證了螺紋調高支座的承載力和調高功能。曾永平等[4]介紹了一種楔形塊調高支座，并通過試驗測試了支座的調高功能。夏俊勇等[5-6]介紹一種填充式的調高支座，并通過試驗驗證了支座填充物的穩定性和強度。裴薈蓉等[7]對一種液壓調高測力支座的性能展開試驗研究，驗證了支座的調高和測力特性、穩定性和安全性。楊國靜等[8-9]介紹一種基于高程檢測的楔形塊調高支座，并通過試驗驗證了支座的高程檢測和調高功能。目前，對調高支座的研究主要集中在調高功能和承載能力的驗證上，對支座力檢測的研究較少，少量的支座力檢測技術為間接測量，系統復雜、精度有待驗證，無法滿足現有橋梁對支座力智能監測和調整的要求。

根據大廣高速南康至龍南段擴能工程項目復雜地質條件及對橋梁支座的特殊功能需求，設計一種調高測力支座，在建立支座的有限元模型的基礎上，通過數值仿真的方法對支座的性能展開研究。

1 調高測力支座的結構及工作原理

調高測力支座是在常規球形支座的基礎上增加了調高模塊和測力模塊，以實現調高和測力功能，結構示意見圖1。

1-頂板；2-耐磨滑板；3-楔形塊；4-上支座板；5-球冠襯板；6-球面座；7-測力體；8-下支座板。圖1 調高測力支座結構圖

其中，頂板、楔形塊、上支座板，以及調高液壓頂推系統組成調高模塊，上支座板、球冠襯板和球面座為常規球形支座，測力體及測量系統組成測力模塊。調高功能通過在頂板斜面配合下楔形塊的水平移動來實現。調高時液壓系統推動楔形塊的滑移可以實現支座頂板的無極抬升，達到無極調高的目的。支座測力體上四周設置有應變傳感器，傳感器布置圖見圖2，圖中溫度補償傳感器未示意。測量系統可實時采集測體力的應變，通過預先標定的豎向力-應變曲線來實現測力功能。為了避免調高測力支座在長期使用后，由于傳感器的老化和衰減產生漂移影響測量數據的準確性，需要結合楔形塊的推力數據定期對測力系統進行修正和校核。

圖2 測力體傳感器布置圖

2 調高測力支座有限元模型的建立

為了合理模擬荷載分布，在支座頂板上部增加了材料為Q355B的圓柱體。圓柱體的半徑略大于支座頂板對角線長，高度為200 mm。調高測力支座各部件均為實體結構，因此采用ABAQUS軟件提供的C3D8R六面體實體單元建立支座有限元模型，共計單元188 447個，節點240 746個，支座有限元模型見圖3。模型各部件接觸面之間均設置接觸對，接觸算法采用罰函數模型。模型的邊界條件為：下支座板下表面添加全約束，楔形塊兩側端面添加水平面X方向的位移約束，圓柱體上表面添加水平面X方向和Z方向的位移約束。支座豎向力均勻施加在圓柱體上表面。

圖3 調高測力支座有限元模型

調高測力支座除耐磨滑板外其余部件均采用Q355B材料制作，耐磨滑板為改性超高分子量聚乙烯材料制作。材料參數見表1。

表1 調高測力支座材料參數

3 有限元結果分析

3.1 分析模型

測力調高支座在設計承載力(3 000 kN)作用下，當楔形塊間距變化時各部件的等效應力最大值見表2。

表2 調高測力支座楔形塊間距不同時各部件的最大等效應力

由表2可知，支座各部件的等效應力最大值均隨楔形塊間距的增大而增大；當楔形塊間距為200 mm時，鋼結構中上支座板的等效應力最大值最大，為269.7 MPa，小于材料屈曲極限355 MPa，耐磨滑板中楔形塊下耐磨滑板的等效應力最大值最大，為67.0 MPa，小于材料屈曲極限80 MPa；上支座板的等效應力最大值受楔形塊間距增大的影響最大，其次為楔形塊下耐磨滑板；楔形塊間距由0mm增大到200mm時，上支座板和楔形塊下耐磨滑板的等效應力最大值分別增大了1.812倍和1.351倍。

調高測力支座在設計承載力作用下，楔形塊間距為200 mm時的等效應力云圖見圖4。由圖4可知，上支座板的最大等效應力出現在楔形塊滑移方向的中間區域上、下表面；當楔形塊間距為200 mm時，楔形塊部分區域超出了球冠襯板的半徑范圍，造成了支座板中間區域產生了較大彎矩，對支座板的受力不利。

圖4 楔形塊間距為200 mm時調高

3.2 測力體應變的影響因素分析

分析結果中，提取測力體四周傳感器布置位置處的應變，并求得應變平均值作為測力體的應變。楔形塊間距為80 mm、楔形塊斜度為1∶8、滑動面摩擦系數為0.02、支座轉角為0 rad時，調高測力支座測力體應變隨支座豎向力變化的曲線見圖5。

圖5 支座豎向力-測力體應變曲線

由圖5可知，測力體應變隨支座豎向力的變化呈線性正相關。

楔形塊斜度為1∶10、滑動面摩擦系數為0.02、支座轉角為0 rad、豎向力為3 000 kN時，調高測力支座測力體應變隨楔形塊間距變化的曲線見圖6。

圖6 測力體應變隨楔形塊間距變化的曲線

由圖6可知，測力體的應變值隨著楔形塊間距增大而增大，且近似為線性關系；楔形塊間距由0 mm增大到200 mm時，測力體應變值從229.1×10-6增大到279.9×10-6，增了22.2%。

楔形塊斜度、摩擦系數和支座轉角對調高測力支座測力體應變的影響曲線見圖7。由圖7可知，楔形塊斜度、摩擦系數和支座轉角變化均對測力體應變值隨著楔形塊間距的變化曲線影響很小；楔形塊間距相同時，測力體應變值最大偏差分別為0.2%、0.4%和0.8%。

圖7 測力體應變隨楔形塊間距變化曲線

4 結論

本文建立了調高測力支座的有限元模型，首先對支座各部件的應力狀態進行了分析，然后針對支座的測力功能，給出了關鍵參數對測力體應變的影響規律。得出以下結論。

1) 支座各部件的最大等效應力值均隨楔形塊間距的增大顯著增大，且上支座板的等效應力變化最為明顯；工作狀態下，各部件的等效應力值均小于材料屈服強度，滿足使用要求。

2) 過大的楔形塊間距，會引起上支座板中間區域產生較大彎矩，導致支座板的安全系數接近1.3，趨于危險，因此楔形塊的間距不宜過大。

3) 測力體應變值隨支座豎向力和楔形塊間距的變化均呈線性，而楔形塊斜度、摩擦系數和支座轉角對測力體應變的影響可以忽略，因此，可通過適當增加楔形塊的斜度達到減小楔形塊調整間距的目的。