球形支座在鋼混組合連續梁中的應用研究

文章在分析球形支座結構和工作原理的基礎上，依托某三跨連續鋼混組合梁項目，從豎向承載力、支座變形量程和預偏三個方面進行了支座選型分析，并對支座的安裝、常見病害及維護進行了探討，以期促進球型支座的推廣和應用。

鋼混組合梁；球形支座；支座預偏；豎向承載力；檢測維護

U443.36A381334

作者簡介：

覃元璋（1988—），工程師，主要從事道路、橋梁施工管理等工作。

0" 引言

支座連接橋梁上部結構和下部結構，能夠承擔上部結構的豎向力并傳遞給下部結構，協調或者釋放上部結構的變形和轉角，確保橋梁上部結構處于合理受力狀態。作為大跨徑橋梁的常用支座形式，球形支座不僅能夠均勻傳遞荷載的作用，還可以實現梁端的轉動和平動，在大跨度橋梁、曲線橋和坡道橋等對支座有特殊需求的支座選型中得到了廣泛的應用。如顧南榮等［1］通過試驗研究了球形支座的抗壓性能、平面滑動摩擦系數和轉動性能，基于有限元模型研究了彈性支撐、剛性支撐下球形支座的應力分布，結果顯示球形支座性能和應力分布滿足承載需求。楊帆［2］針對球形支座進行了系統的力學性能試驗，結果顯示球形支座具有力學性能穩定、耗能性和隔震減震強等優勢。在分析球形支座結構特點及工作原理基礎上，依托于設計計算和結果分析，鮑薇等［3］針對支座設計提出了進一步優化意見。依托于某建筑結構支座選型，薛詩東［4］通過理論計算、有限元分析和試驗測試了球形支座的受力及其變形情況，并在項目中獲得了成功應用。查閱當前文獻，針對球形支座的研究多集中在某一方面，缺乏系統的研究［5-8］。基于此，本文在分析球形支座結構和工作原理的基礎上，依托于某連續鋼混組合梁支座選型，從豎向承載力、支座變形量程和支座預偏3個方面進行了支座選型計算，確定了支座型號，對球形支座安裝、常見病害及維護進行了詳細探討，對球形支座的應用起到了一定的推動作用。

1" 球形支座的結構特點及工作原理

1.1" 球形支座構成

從結構組成分析，球形支座從上向下依次為上座板、不銹鋼板、平面四氟滑板、球形鋼襯板，球面四氟滑板、下座板等。具體如圖1所示。

由圖1可知，通過不銹鋼板和平面四氟滑板之間的相對運動實現球形支座的平動，通過球形鋼襯板和球面四氟滑板的相對運動來實現支座轉動。

1.2" 工作原理

1.2.1" 支座原理分析

由于自身荷載、外部荷載、混凝土收縮和徐變的作用，橋梁上部結構不可避免會發生一定的平動和轉動位移，支座的設計可以使上部結構自由變形和轉動而不產生附加內力，起到傳遞力和協調力矩的作用。簡支梁支座作用示意如圖2所示。

1.2.2" 豎向力傳遞

作為傳遞上部恒載和活載引起的豎向力的構件，球形支座傳力途徑簡單，受力圖示明確：外部豎向荷載→上座板→不銹鋼板→平面四氟板→球芯→球面四氟滑板→底座，最后下支座板將荷載均勻作用到墊石上。具體傳力途徑如圖3所示。

1.2.3" 轉動傳遞

球形支座能夠協調結構在各種荷載下的梁端變形和轉動，確保結構和支座處于合理受力狀態。由于球形鋼襯板的設計，確保梁端各項轉動性能一致。其轉動示意如圖4所示。

球形支座在鋼混組合連續梁中的應用研究/覃元璋

如圖4所示，支座轉動力矩計算如式（1）所示：

M=N·μ·R（1）

式中：N——支座承擔上部結構傳遞的豎向荷載（kN）；

μ——球形鋼襯板與球面四氟滑板之間摩擦系數；

R——球形鋼襯板球面半徑（m）。

根據式（1）參數可以發現，球形支座轉動力矩只與N、R和μ有關，豎向荷載穩定情況下力矩恒定，且與轉角大小無關。

2" 工程背景

2.1" 工程概況

某三跨連續鋼混組合梁橋，全橋長度為280.0 m，跨徑布置為（75+130+75） m，車道橫向布置為0.53 m（護欄）+3.25 m（應急車道）+3×4.0 m（機動車道）+0.53 m（護欄）=16.31 m，分左右幅設置。中支點處梁高為6.0 m，邊支點處梁高為3.5 m，變截面采用二次拋物線形式。橋面板厚度為28.0 cm，護欄采用混凝土SS級護欄。見圖5。

鋼主梁采用從主墩向邊跨和中跨對稱施工的方式，鋼主梁合龍后開始橋面板的吊裝。其順序為從小里程向大里程吊裝，然后進行跨中正彎矩區（78.0 m）后澆帶、剪力槽混凝土澆筑；養生一段時間后拆除臨時支撐，然后進行墩頂負彎矩區（64.0 m）后澆帶、剪力槽混凝土澆筑，最后進行橋面鋪裝和護欄的施工。

2.2" 支座類型選擇

根據結構整體承載和變形對支座要求，固定支座設在24#墩，其他為活動支座。具體布置如圖6所示。

3" 支座選型計算

支座選型不僅考慮豎向承載力，還要考慮橋梁跨徑、梁體縱橋向變形和支座預偏等因素。

3.1" 豎向承載力計算

本文鋼主梁采用雙主梁箱形截面，結構整體抗彎、抗扭剛度較大，橫向采用兩點支承，可采用杠桿法求單個支座的最大壓力標準值組合，具體計算如下。

3.1.1" 永久作用

對于永久作用荷載，支反力計算如式（2）所示：

RAi=12qili（2）

式中：qi——單位長度內的均布線荷載（kN/m）；

li——qi為均值或可近似認為均值的最大長度（m）。

根據上述公式，永久作用標準值計算如表1所示。

3.1.2" 汽車荷載作用

支點橫向分布影響線及公路-Ⅰ級汽車車輛荷載布置如圖7、圖8所示。

（1）根據杠桿原理法求支承處單個支座的荷載橫向分布系數：

汽車荷載橫向分布系數為：

ηq=∑i=ni=1ηi（3）

（2）汽車荷載作用下，支座的最大壓力標準值為：

Rq=ζ（1+μ）ηq（1.0×Pk+12×Li×1.0×qk）（4）

式中：μ——考慮汽車沖擊影響的沖擊系數，取μ=0.15；

Pk、qk——公路Ⅰ級荷載的均布荷載和集中荷載，Pk=10 kN/m，qk=238 kN；

ζ——車道折減系數，四車道取ζ=0.78。

因此，活載和恒載作用下單個支座的最大支反力標準值計算結果如表2所示。

3.2" 支座量程計算

支座縱橋向量程的計算需要考慮荷載、主梁合龍溫差、汽車荷載制動力引起的水平位移，以下進行詳細分析。

3.2.1" 荷載引起的水平位移

荷載引起的水平位移根據模型計算得到，實際模型中已根據實際預拱度進行迭代分析，確保偏差為±1 mm。

3.2.2" 主梁合龍溫差引起的水平位移Ag

主梁的計算溫差如下：

At=Tmax-Tmin（5）

式中：Tmax——當地最高有效溫度標準值，取Tmax=34 ℃；

Tmin——當地最低有效溫度標準值，取Tmax=-10 ℃；

溫差變形由兩端過渡墩支座平均分配，則每個支座承受的水平位移如式（6）所示：

Ag=0.5uc·At（6）

式中：uc溫差變形由兩端過渡墩支座平均分配，則每個支座承受的水平位移如下所示：

Ag=0.5u·c·At

式中：c——鋼主梁和混凝土組合結構的線膨脹系數；

u——一跨橋梁支座之間計算距離。

3.2.3" 汽車荷載制動力引起的水平位移Ap

根據每個橋墩承擔的汽車制動力，則根據橋墩縱橋向剛度計算分析汽車制動力引起的水平位移。

3.2.4" 支座量程統計分析（表3）

根據支座豎向支反力、縱橋向變形確定過渡墩支座為KZQZ-4500，主墩支座為KZQZ-22500。

3.3" 支座預偏計算

支座在合理服役狀態下，除了需要豎向承載力滿足承載要求外，還需要考慮由于溫度、混凝土收縮等因素造成梁體一定的縱橋向變形，要求支座變形量程滿足主梁變形需求，且應考慮極端狀況下支座不發生變形超限。因此，支座安裝時需要設置一定縱向預偏，確保支座服役處于合理平動和轉動區間。

支座平動位移是指橋梁運營過程中，活動支座的上支座板偏移支座理論中心線的位移，具體如式（7）所示：

Δ=-（Δ1+Δ2+Δ3）（7）

式中：Δ1——施工荷載引起的位移，與施工過程和工序有關（mm）；

Δ2——混凝土收縮徐變引起的位移量（mm）；

Δ3——因體系溫差引起的位移量（mm）。

該橋位于河南省開封市，氣溫最高月是7月，平均溫度為34.0 ℃；氣溫最低月是1月，平均氣溫為-10 ℃，則設計合龍溫度為22 ℃。支座預偏量計算如表4所示。

4" 支座安裝及維護

作為連接上部結構與下部結構的重要部件，支座的合理服役能夠適應上、下部結構水平平動和梁端轉動變形，因此支座的合理安裝和維護是確保支座合理服役的關鍵。

4.1" 支座安裝

4.1.1 "安裝流程工藝

關于球形支座的安裝主要分為安裝前處理、安裝和固定支座，以下進行詳細分析。

4.1.1.1" 安裝前處理

（1）高度放樣。需要檢測墊石厚度、高度，尤其是四角高程是否在設計容許范圍內，否則應通過楔形塊進行調整。

（2）平面放樣。測量放樣支座縱橫向十字中心線，確定支座安裝平面位置。

（3）預偏考慮。上座板的安裝，必須考慮由于恒載、溫差和混凝土收縮、徐變等引起的縱橋向位移。

4.1.1.2" 安放、固定支座

（1）吊裝入位。墊石平面、高程放樣完成后，吊裝支座入位，對于活動支座需要注意主滑移方向。

（2）上座板連接。支座上座板與鋼主梁通過楔形塊調整縱坡，確保支座均勻受力，便于楔形調坡板與鋼主梁和上座板通過焊接連接。

（3）支座固定。下座板與墊石通過灌漿連接，如存在間隙考慮采用楔形塊調整。

4.1.2" 支座預偏設置施工

在安裝活動支座的上座板時，宜考慮安裝溫度與設計要求不符、施工荷載等因素引起的相對位移，根據計算結果在順橋向設置預偏量，具體施工過程如下：

（1）對于固定支座，在楔形調坡板焊接完成之后，拆除支座連接裝置，固定支座不設偏移量。

（2）對于活動支座，在楔形調坡板安裝之前，拆除支座連接裝置并設置預偏，具體如圖9所示。

4.2" 球形支座常見病害

球形支座在服役期間應定期進行檢查及維護，根據調研發現，球形支座主要出現以下病害問題：

（1）支座地腳錨栓出現剪斷，造成支座下座板發生偏位。

（2）支座縱橋向相對位移超限，造成支座服役狀態不佳。

（3）支座高度發生變化，多是因為支座內部滑板出現嚴重磨耗情況。

4.3" 球形支座維護

球形支座在使用期間應進行定期次檢查和養護，具體內容如下：

（1）檢查支座地腳螺栓有無剪斷，如有應及時采取加固措施。

（2）檢查支座縱橋向相對位移是否均勻，是否發生偏轉；同時根據測試支座偏位，與固定支座距離進行合理評價。

（3）定期檢查支座高度變化，對平面四氟滑板和球面四氟滑板的磨耗情況進行評價，必要時應拆除防護措施接近檢查。

5" 結語

在大跨徑橋梁、曲線橋梁和爬坡橋梁等對支座平動和轉動有特殊需求的橋梁中，球形支座得到了較為廣泛的應用。在了解球形支座結構特點和工作原理的基礎上，本文章依托于某連續鋼混組合梁結構構成和施工工藝的基礎上，確定了支座類型，并通過豎向承載力、支座量程和支座預偏進行了支座選型計算，對支座安裝從安裝前、安裝過程中和支座預偏等關鍵施工過程進行了分析，對球形支座運營期常見病害和針對性的維護措施進行了詳細的探討，對球形支座的推廣應用起到了一定的推動作用。

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20240408