基于根原因分析的橋梁支座優化設計

姜文英，顧海龍，楊衛鋒，李恒躍，宋建平

(中船雙瑞(洛陽)特種裝備股份有限公司，河南 洛陽 471000)

0 引言

橋梁支座位于橋梁與橋墩之間，是傳遞橋梁載荷、實現橋梁伸縮變形和轉動的核心“關節”構件。橋梁支座受結構設計、選材、加工制造、安裝施工、環境工況等因素影響，在使用過程中可能會出現鋼部件裂損、脫焊、銹蝕、滑板擠出、位移超限、轉角超限、螺栓剪斷、座板與梁底及支承墊石不密貼等病害型式，造成支座性能劣化甚至失效。根據Q/CR 405.3—2016鐵路橋隧建筑物劣化評定第3部分：支座標準，在上述支座病害型式中，滑板擠出達到AA(極嚴重)劣化等級，一旦發生，支座將喪失正常滑移或轉動功能，危及橋梁安全，需立即進行支座更換[1-3]。支座滑板擠出主要表現為：支座非金屬滑板從鑲槽中脫出，并向外滑移出支座承載區域，支座滑板擠出見圖1。

支座滑板擠出會嚴重影響支座的功能，為解決該問題，首先需找到問題發生的根本原因，有針對性地尋找解決方法和措施。而TRIZ理論提供了一套成熟的解決問題的方法，本文嘗試采用該理論去解決支座滑板擠出問題。

TRIZ理論是俄文中發明問題解決理論的縮寫，由蘇聯專家Altshuller及其團隊創建，為發現問題和解決問題提供了系統的理論和方法工具[4-6]。TRIZ理論體系中，解決發明問題的核心是解決系統沖突，而解決系統沖突的前提是發現系統沖突。發現系統沖突的方法主要有根原因分析、物質-場分析、質量功能展開、公理設計等，其中根原因分析是通過分析問題與原因之間的因果關系，確定與問題相關的系統元件，通過各元件之間的相互關系來確定系統沖突，并提出相應的解決措施[7]。目前，在工程技術領域中，根原因分析的工具主要包括因果軸分析法、矩陣分析法、5-why分析法、魚骨圖分析法及故障樹分析法等，其中5-why分析法針對特征事實，通過逐層遞進式的詢問并解答的方式，逐步確定問題的根本原因，并提出相應的解決措施，具有簡單、實用的特點。

本文應用TRIZ創新理論，針對橋梁支座滑板擠出的問題，采用5-why分析法工具進行根原因分析，找到問題產生的根本原因，指導支座創新設計，減少滑板擠出病害的發生幾率，提高產品質量可靠性。

1 根原因分析

橋梁支座安裝在梁體和橋墩之間，主要由上座板、中座板、下座板、平面摩擦副和球面摩擦副組成，支座結構見圖2。

根據橋梁支座的安裝位置、支座結構及外部環境分析，確定系統元件，建立功能模型，見圖3。

根據圖3所示，制品為支座；系統元件包括上座板、平面不銹鋼板、平面非金屬滑板、中座板、球面不銹鋼板、球面非金屬滑板、下座板；超系統包括橋墩和梁體。平面及球面非金屬滑板鑲嵌在約束坑中，與平面及球面不銹鋼板形成摩擦副，兩者之間在潤滑條件下通過摩擦滑移實現支座的滑動或轉動。外部環境對摩擦副有影響的主要是空氣中的灰塵、施工遺留的雜物以及安裝施工時不銹鋼表面黏附的涂料或混凝土等污染物。因此，根據功能模型，確定沖突區域主要在于不銹鋼板/非金屬滑板/滑板約束坑之間。

本文所要解決的特征事實是滑板從約束坑中擠出，采用5-why分析法對沖突區域進行分析，通過逐層詢問最終找到問題的根源。F摩擦代表不銹鋼板/非金屬滑板組成的摩擦副之間的摩擦阻力，F約束代表支座座板約束坑對非金屬滑板的約束力，正常情況下F摩擦F約束的情況，此時滑板就會擠出。詢問過程如下：

1)為什么滑板受到的摩擦力會大于滑板受到的約束力？

A1.1摩擦副之間摩擦力加大；A1.2滑板所受約束力不足。

2)為什么摩擦副之間的摩擦力會增加？為什么滑板約束力會不足？

A2.1摩擦副之間進入異物；A2.2潤滑失效；A2.3滑板約束結構不合理。

3)為什么摩擦副間會進入異物？為什么潤滑會失效？為什么滑板約束結構不合理？

A3.1焊縫進入摩擦副之間；A3.2不銹鋼滑動面受到污染；A3.3潤滑脂發生損耗；A3.4滑板采用整板鑲嵌結構。

4)為什么焊縫會進入摩擦副間？為什么不銹鋼滑動面會被污染？為什么潤滑脂會發生損耗？為什么滑板采用整板鑲嵌結構時會約束力不足？

A4.1支座滑動位移或轉角超限，導致焊縫滑入摩擦副之間；A4.2不銹鋼滑動面沾染混凝土、油漆、灰塵等未及時清理；A4.3潤滑脂混入雜質，或在壓力作用下基礎油流失；A4.4非金屬滑板在載荷作用下會發生變形和蠕變等現象，滑板外露部分在邊緣處會發生一定變形，當局部受力過大時，整板鑲嵌結構的滑板邊緣處變形量會不斷增大，滑板受力示意見圖4。

5)為什么支座滑動位移或轉角會超限？為什么不銹鋼滑動面會沾染混凝土、油漆、灰塵等未及時清理？為什么潤滑脂混入雜質或在壓力作用下發生基礎油流失后潤滑性能會下降？為什么滑板局部會受力過大？

A5.1安裝時消除溫度位移考慮不充分，或者實際位移超出設計位移；A5.2安裝時支座連接裝置提前解鎖或松動導致支座發生偏轉，或者實際轉角超出設計轉角；A5.3摩擦副未設置密封圈或密封結構不合理，且維養不到位；A5.4潤滑脂性能有待提高；A5.5安裝時偏載會使局部豎向載荷過大，或者摩擦力增大使滑板局部受水平載荷過大，導致變形量增大。

根據上述分析，滑板從約束坑中擠出的根原因結果是：滑板所受摩擦力增大，約束力不足，最終導致滑板從變形處擠出。主要表現在以下幾個方面：

1)安裝時消除溫度位移考慮不充分、支座發生偏轉，或支座設計位移、轉角小于實際需求，導致不銹鋼焊縫進入摩擦副之間，摩擦力過大。

2)安裝或運行時支座發生偏轉導致摩擦副局部受力過大，滑板變形量增大。

3)摩擦副受到污染，潤滑脂耐久性不足，摩擦力過大。

4)整板鑲嵌結構在局部受力過大時滑板邊緣處變形量過大，約束力不足。

2 根本解決措施

2.1 提高非金屬滑板約束力

提高滑板約束力的措施主要有兩條：一是提高滑板的側面約束面積與表面積之間的比值；二是提高滑板與座板約束坑之間的黏結強度。

1)提高滑板約束面積與表面積之間的比值。

提高滑板約束面積與表面積之間的比值主要措施是改變滑板的鑲嵌結構，采用分片鑲嵌形式代替整板鑲嵌形式，提高滑板的約束面積，進而提高約束面積與表面積之間的比值，從而提高滑板的約束力。目前在豎向承載力小于12 500 kN的支座結構中，滑板一般采用整板鑲嵌的約束形式；在豎向承載力大于12 500 kN的大噸位支座結構中，滑板則采用分片鑲嵌的約束形式來進一步提高約束力。綜合考慮滑板承載力和約束面積比，也可在支座設計中采用整板與分片組合鑲嵌的約束形式[8-9]，結構形式見圖5。

以豎向承載力為50 000 kN的球型支座為例，計算不同約束形式下滑板的側面約束面積與表面積之間的比值，如表1所示。

表1 不同約束形式下滑板的約束面積情況

從表1可以看出，整板鑲嵌承壓圓直徑最小，支座尺寸最小，但側面約束面積與表面積比值最低；分片鑲嵌承壓圓直徑最大，支座尺寸偏大，但側面約束面積與表面積比值最高，滑板約束能力最強；而整板+分片鑲嵌各項數值居中，約束能力高于整板鑲嵌，尺寸也小于分片鑲嵌。因此，采用整板與分片組合鑲嵌的約束形式時綜合性能最優。

2)提高滑板與座板約束坑之間的黏結力。

在滑板黏結時，聚四氟乙烯滑板黏結面需進行鈉萘處理，改性超高分子量聚乙烯滑板黏結面需進行拉毛處理，然后采用熱固性的環氧類膠黏劑進行黏結，剝離黏合強度不小于5.0 kN/m。

2.2 減小摩擦副間的摩擦力

1)防止雜質進入摩擦副，減小摩擦力。

球型支座采用分部密封的雙密封環的密封方式，如圖6所示。在摩擦副周圍應設置與非金屬滑板同材質的密封圈，兩者變形量相當，能夠有效防止硅脂流失及外部雜質混入，從而使摩擦性能穩定不變，滿足長期使用的要求。在安裝過程中應注意密封環接口處理方式，避免間隙過大。

2)避免支座位移超限時不銹鋼焊縫滑入摩擦副中。

支座在出廠時可根據設計提前進行預偏，便于現場安裝。長聯大跨連續梁橋因橋梁跨數多、聯長長、施工周期長，已經合龍完成的梁體在溫度、混凝土收縮徐變等因素影響下會產生縱向變形，導致橋墩活動支座的位移量大，橋梁支座所需預偏量較大[10]。為避免支座位移超限時不銹鋼與座板焊縫滑入摩擦副中導致摩擦系數急劇增大，支座出廠時需根據梁體偏移情況精確計算預偏量或增設預偏結構，以滿足大調偏量的需求。

3)優化潤滑體系，保持摩擦系數穩定。

結合支座使用工況，可在潤滑體系方面進一步優化。針對大跨度橋梁，支座摩擦副滑移量大，可考慮增加注脂結構設計，定期對潤滑脂進行補充，保持較低的摩擦系數。采用性能更優的鋰基潤滑脂，減小環境因素影響，提高潤滑的可靠性。另外，應注意定期對不銹鋼板表面進行清理，減小灰塵雜質污染摩擦副的幾率，每年至少1次。

2.3 安裝時防止偏轉，支座運行時避免局部過大偏載

由于支座安裝時臨時聯接螺栓未鎖緊或支座提前解鎖，支座在上部梁體的作用下發生轉動，造成支座轉角超限，一方面會導致座板之間局部間隙過大，滑板易脫出約束坑；另一方面會導致球面不銹鋼板焊縫可能進入摩擦副之間，使轉動時摩擦系數增大。因此，在支座安裝時應避免支座發生偏轉，一方面要求支座臨時聯接螺栓在成橋前禁止松動、拆除；另一方面可通過增設臨時鎖定裝置等措施，防止在梁體施工及安裝過程中由于外力引起的支座轉動。

3 支座設計及試驗驗證

針對支座滑板擠出問題，采用上述根原因分析得出的解決措施，完成了一種新型高承載球型支座的設計和試驗研究。該支座主要結構特點包括：采用分片鑲嵌+中心滑板鑲嵌的約束形式，提高滑板的約束力；采用雙密封環的密封方式，能夠有效防止硅脂流失及外部雜質混入；選用優質潤滑脂，保證潤滑性能的穩定；預留補充硅脂通道，提升持久潤滑能力；上、下座板間采用板栓連接結構，連接板沿位移方向開設腰形孔，使支座具備位移調整鎖定功能；在上座板下底面與下座板上平面之間四角設置防傾轉機構，使支座在安裝時具備防傾轉功能。

新型高承載支座結構如圖7所示。

根據GB/T 17955—2009橋梁球型支座、TB/T 3320—2013鐵路橋梁球型支座，開展新型高承載支座豎向承載力試驗、摩擦系數試驗、潤滑脂補充試驗以及吊裝調平工藝試驗，以驗證設計可靠性，見表2。

表2 新型高承載支座試驗結果

新型高承載支座各項試驗結果均滿足設計要求，表明該支座結構合理，具備高承載、低摩擦等特性，性能可靠性高。

4 結語

通過采用TRIZ創新理論，對橋梁支座非金屬滑板擠出問題進行深入分析，找到問題產生的根本原因是滑板受到的摩擦力大于約束力，并提出了提高約束力、減小摩擦力、避免偏轉等根本解決措施，可以用于指導橋梁支座在滑板選型、約束形式設計、密封結構設計、安裝控制等方面進行優化設計。采用本文創新方法設計的新型高承載支座已在國內某工程應用，解決了原工程支座滑板擠出的病害。