鐵路橋梁球型支座

■ 石秋君 佟嘉明 臧曉秋 張雯

鐵路橋梁球型支座

■ 石秋君 佟嘉明 臧曉秋 張雯

橋梁支座是連接橋梁上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的“關(guān)節(jié)”部件，是橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其性能優(yōu)劣直接影響整座橋梁甚至整條線路的運(yùn)營狀態(tài)及使用壽命。對球型支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、材料選擇、生產(chǎn)加工控制及檢測試驗(yàn)等內(nèi)容進(jìn)行介紹，為球型支座在鐵路橋梁上的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

鐵路橋梁；球型支座；結(jié)構(gòu)形式；技術(shù)參數(shù)；檢驗(yàn)

0 引言

截至2014年底，我國鐵路營業(yè)里程已超過11萬km，在建高鐵規(guī)模超過1萬km。隨著我國鐵路建設(shè)步伐的加快，橋梁結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)工程中所占比例也不斷增加，其中多條高速鐵路的正線采取了高架橋的建設(shè)方式，對橋梁支座的需求量不斷增加。作為橋梁工程上、下部結(jié)構(gòu)的傳力、連接部件，橋梁支座產(chǎn)品的性能優(yōu)劣將直接影響橋梁的整體性能。因此，在我國鐵路建設(shè)力度、覆蓋區(qū)域加大的同時(shí)，對橋梁支座的安全性、耐久性、承載力及環(huán)境適應(yīng)性等方面都提出了較高要求。在此前提下，球型支座以其結(jié)構(gòu)合理、耐久性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，符合鐵路橋梁的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步要求，在我國多條鐵路尤其是新建高速鐵路橋梁中被廣泛應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)形式

球型支座是20世紀(jì)70年代在盆式橡膠支座基礎(chǔ)上研制的一種新型橋梁支座，于1988年引入我國，隨后在上海南浦公路斜拉橋上應(yīng)用。球型支座通常由上支座板、球冠襯板、下支座板、平面不銹鋼板、平面滑板、球面不銹鋼板、球面滑板、密封裝置、錨栓、防塵圍板等部件組成（見圖1），其中球冠襯板是球型支座的核心部件，起著承載、傳力、轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。

球型支座按其使用功能可分為固定支座、單向活動(dòng)支座和多向活動(dòng)支座。所有支座類型都可承受豎向荷載，并具有轉(zhuǎn)動(dòng)功能。此外，固定支座可承受各向水平荷載，但不發(fā)生水平位移；單向活動(dòng)支座可承受限位方向的水平荷載，可適應(yīng)非限位方向的水平位移；多向活動(dòng)支座可適應(yīng)各向水平位移。

圖1 球型支座結(jié)構(gòu)組成

球型支座與既有的各種類型支座相比，克服了材料、結(jié)構(gòu)、工作原理上的諸多不足，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）無橡膠材料，不存在橡膠質(zhì)量控制和老化問題，低碳環(huán)保；

（2）各部件均為面接觸，傳力路線簡潔明確，克服了既有弧形支座、搖軸支座等支座應(yīng)力集中的缺點(diǎn)；

（3）通過平面摩擦副和球面摩擦副之間的相對滑動(dòng)來實(shí)現(xiàn)支座的平面位移和轉(zhuǎn)角，反力小、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活；

（4）滑板材料選用承載能力高、耐磨性好的新型滑動(dòng)材料，可有效減小支座尺寸，提高產(chǎn)品的性價(jià)比，且溫度適應(yīng)性更強(qiáng)，可適應(yīng)溫度范圍在-40～60 ℃，在我國南方、北方等不同地域都可使用。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

在我國鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中，并無專門針對球型支座的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此在球型支座設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分參考涉及支座部分的通用設(shè)計(jì)規(guī)范，如TB 10002．1—2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》、TB 10002．2—2005《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、 TB 10002．3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及 GB/T 17955—2009《橋梁球型支座》。為了確保設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性、全面性，設(shè)計(jì)人員在依據(jù)我國現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行支座產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時(shí)，也參考了歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1337 “Structural bearings”的相關(guān)部分進(jìn)行部件的檢算，確保鐵路橋梁球型支座的安全性，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平[1]。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

球型支座是在大量科學(xué)試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，采用新型滑板材料改性超高分子量聚乙烯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聚四氟乙烯滑板設(shè)計(jì)而成，該材料設(shè)計(jì)應(yīng)力高、耐磨性好，可減小支座構(gòu)造尺寸，節(jié)約成本，提高支座的整體性能；支座采用球面包覆不銹鋼板技術(shù)，降低了滑板的摩擦系數(shù)和磨耗率，提高了摩擦副的使用壽命；采用數(shù)控加工設(shè)備進(jìn)行加工，可提高產(chǎn)品的成型質(zhì)量和加工精度；采用先進(jìn)的防腐涂裝措施，減少了支座的日常養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。因此，從長期使用的角度考慮，球型支座更經(jīng)濟(jì)、性價(jià)比更高、耐久性更好[2]。

按使用性能，支座分為下列4類：

（1）多向活動(dòng)支座（DX）。承受豎向荷載，具有豎向轉(zhuǎn)動(dòng)和水平多向位移性能。

（2）縱向活動(dòng)支座（ZX）。承受豎向荷載和橫橋向水平荷載，具有豎向轉(zhuǎn)動(dòng)及順橋向位移性能。

（3）橫向活動(dòng)支座（HX）。承受豎向荷載和順橋向水平荷載，具有豎向轉(zhuǎn)動(dòng)及橫橋向位移性能。

（4）固定支座（GD）。承受豎向荷載和各向水平荷載，具有豎向轉(zhuǎn)動(dòng)性能，水平各向均無位移。

支座設(shè)計(jì)豎向承載力從1 000～10 000 kN，設(shè)計(jì)水平力為豎向承載力的10%～40%，設(shè)計(jì)縱向位移最大為±3 00 mm，橫向位移最大為±40 mm；適應(yīng)地震動(dòng)峰值加速度0．1g～0．3g的地區(qū)；適用于環(huán)境溫度為-40～60 ℃的地區(qū)。特殊設(shè)計(jì)的球型支座還可具有調(diào)高或減隔振功能。

4 材料

4.1 鋼件

鐵路橋梁球型支座的上支座板、中間襯板和下支座板等主體結(jié)構(gòu)均由鋼件組成，目前鋼件通常采用鑄鋼件、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼軋制鋼板或鋼鍛件。其中鑄鋼件應(yīng)用廣泛，且用量最大，尤其適宜于復(fù)雜結(jié)構(gòu)或尺寸較大的構(gòu)件使用；軋制鋼板的市場供應(yīng)量充足，性能穩(wěn)定，且價(jià)格適中，采購和機(jī)加工方便；低合金鋼鍛件的性能較好，但加工成本較高，因此僅在特殊設(shè)計(jì)的部件上使用，隨著工藝的不斷改進(jìn)和鍛造技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用比例也將逐漸提高。

支座采用鑄鋼件時(shí)應(yīng)逐爐檢查鋼件的化學(xué)成分，并對隨爐試棒進(jìn)行材料的機(jī)械性能檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11352《一般工程用鑄造碳鋼件》中的規(guī)定，并按照GB/T 7233《鑄鋼件超聲檢測第1部分：一般用途鑄鋼件》對鑄鋼件進(jìn)行逐件的超聲檢測，保證每件鑄件的質(zhì)量均滿足使用要求；支座使用低合金鋼鍛件或軋制鋼板時(shí)，鍛件或鋼板的化學(xué)成分和機(jī)械性能應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；鍛件成形后的部件還需預(yù)留一定的加工余量。鍛件和鑄件都需進(jìn)行熱處理，一般作為特殊過程嚴(yán)格控制熱處理的溫度；應(yīng)用在沿?；虻蜏氐貐^(qū)的鐵路橋梁球型支座，鋼件應(yīng)選用耐腐蝕材料或低溫材料，并進(jìn)行相應(yīng)環(huán)境下的檢測試驗(yàn)，確保鋼件滿足使用要求。

4.2 滑板

目前，鐵路橋梁支座中滑板材料常用的有聚四氟乙烯板和改性超高分子量聚乙烯板。其中聚四氟乙烯板在我國應(yīng)用較早、用量最大。由不銹鋼板與聚四氟乙烯板組成的摩擦副是最常用的一種支座摩擦副，也是歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1337“Structural bearings”推薦的一種滑動(dòng)摩擦副，具有板材國產(chǎn)化率高、技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、價(jià)格適中的特點(diǎn)，得到了工程技術(shù)人員的廣泛認(rèn)可，現(xiàn)已應(yīng)用于多條鐵路項(xiàng)目的橋梁支座產(chǎn)品中。改性超高分子量聚乙烯板是一種新興的滑板材料，最先在德國、意大利等國的橋梁支座產(chǎn)品中出現(xiàn)，并于2005年應(yīng)用于我國京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長江大橋的球型支座設(shè)計(jì)中。與聚四氟乙烯相比，改性超高分子量聚乙烯板設(shè)計(jì)容許應(yīng)力較高，摩擦系數(shù)較低，支座使用這種材料做滑板時(shí)平面尺寸相對較小，質(zhì)量較輕，尤其適用于設(shè)計(jì)承載力較高的大噸位橋梁支座設(shè)計(jì)。因此，鐵路橋梁球型支座選用改性超高分子量聚乙烯板作為其滑板材料。

與國外相比，我國自主研發(fā)的改性超高分子量聚乙烯材料發(fā)展很快，材料的國產(chǎn)化率得到提高，生產(chǎn)工藝也日益成熟，其物理機(jī)械性能基本達(dá)到進(jìn)口板材的水平；為了嚴(yán)格控制滑板的質(zhì)量，鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對滑板的物理機(jī)械性能及磨耗性能等指標(biāo)提出了詳細(xì)的規(guī)定（具體見表1、表2）[3-4]。

5 生產(chǎn)加工及工藝控制

目前國內(nèi)生產(chǎn)的球型支座，球冠襯板的球面采用了球面包覆不銹鋼滑板和球面電鍍硬鉻兩種方案。由于球面包覆不銹鋼滑板相比電鍍硬鉻，技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、壽命長久、對環(huán)境無污染，因此，球冠襯板的球面采用全部包覆不銹鋼結(jié)構(gòu)。采用此結(jié)構(gòu)后，球型支座的平面摩擦副和球面摩擦副均采用不銹鋼板與滑板形成偶對，摩擦系數(shù)低，磨損率低，且保持長久不變。這樣，平面摩擦副和球面摩擦副就實(shí)現(xiàn)了等滑移性能和等壽命設(shè)計(jì)。

通過產(chǎn)品試制，依據(jù)球型支座的構(gòu)造特點(diǎn)，確定了球冠不銹鋼板的成型及焊接、球面滑板的成型及安裝，以及球冠襯板球面加工及檢測等關(guān)鍵控制點(diǎn)，制定了完整的制造工藝流程及控制措施，保證了球型支座的生產(chǎn)質(zhì)量。

表1 滑板的物理機(jī)械性能

表2 滑板的摩擦和磨耗性能

5.1 球面加工及檢測

球型支座的球冠襯板凸球面和下支座板凹球面均應(yīng)使用數(shù)控車床進(jìn)行加工，加工前根據(jù)球面半徑尺寸進(jìn)行設(shè)置，并控制好參考坐標(biāo)和刀具補(bǔ)償量等關(guān)鍵參數(shù)，核對無誤后方可加工。在進(jìn)行球冠襯板的凸球面加工時(shí)，應(yīng)使用夾具進(jìn)行定位和翻轉(zhuǎn)，以保證球面半徑尺寸、面輪廓度、表面粗糙度等滿足設(shè)計(jì)要求。機(jī)加工前要準(zhǔn)備好球面樣板靠模和球面三角量規(guī)，球面加工過程中應(yīng)及時(shí)使用專用球面樣板靠?？吭谇蛎嫔?，檢查球面半徑是否吻合要求，加工完成后采用球面樣板和球面三角量規(guī)進(jìn)行球面度檢測。

5.2 球面不銹鋼滑板成型及焊接

球型支座的球面不銹鋼板焊接質(zhì)量及與襯板的貼合精度對支座的轉(zhuǎn)動(dòng)性能有很大影響，因此球面不銹鋼板成型、焊接工藝是支座生產(chǎn)中的重點(diǎn)控制項(xiàng)目。球面不銹鋼板成型時(shí)，應(yīng)根據(jù)力學(xué)原理和扳金理論設(shè)計(jì)成型模具，通過成型模具使不銹鋼板在壓力作用下一次成型，并在保壓條件下采用氬弧焊對球面不銹鋼板進(jìn)行封焊，以保證球面不銹鋼滑板的成型質(zhì)量和與球冠襯板球面的緊密貼合。

5.3 球面聚乙烯滑板成型與安裝

球型支座的球面滑板采用整板鑲嵌結(jié)構(gòu)，特殊情況下采用分片式結(jié)構(gòu)，因此其成型工藝十分重要。球面滑板成型可采用反彎變形法或冷凍法進(jìn)行實(shí)施。成型前應(yīng)根據(jù)所采用的成型方法準(zhǔn)備好相應(yīng)工裝及模具，先對滑板進(jìn)行預(yù)成型，使其能夠直接放入下支座板球面鑲坑內(nèi)，然后在壓機(jī)上對球面滑板進(jìn)行定型，確保滑板的成型質(zhì)量。

6 整體性能試驗(yàn)

整體性能試驗(yàn)以豎向承載力6 000 kN的縱向活動(dòng)和固定支座為例，檢測方法依據(jù)GB/T 17955—2009《橋梁球型支座》[5]國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，檢測項(xiàng)目包括豎向承載力試驗(yàn)、摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

通過以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，成品支座的摩擦因數(shù)很小，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩僅為限值的1/3，試制產(chǎn)品整體力學(xué)性能完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17955—2009的規(guī)定，質(zhì)量合格。該檢測結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證的支座設(shè)計(jì)的合理性和生產(chǎn)加工的工藝水平。

7 應(yīng)用情況

由于球型支座結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性和性能的穩(wěn)定性，經(jīng)過多年發(fā)展已應(yīng)用于國外公路和鐵路橋梁項(xiàng)目中。如近幾年建設(shè)的意大利高鐵米蘭—羅馬—那不勒斯段、都靈—米蘭段均采用了球型支座產(chǎn)品。目前，國際上較為著名的橋梁工程構(gòu)件企業(yè)，如德國毛勒公司、意大利艾爾格公司、美國布朗公司、瑞士瑪格巴公司等，均以球型支座作為其主要產(chǎn)品。

2010年以前，球型支座在我國作為特殊設(shè)計(jì)更多地應(yīng)用于環(huán)境要求較高、設(shè)計(jì)承載力較大和重要性高的橋梁項(xiàng)目中，如東海大橋、青島海灣大橋、杭州灣跨海大橋、南京大勝關(guān)大橋、青藏鐵路拉薩河大橋等跨江、沿海、跨海大橋及東南沿海鐵路，哈大、京滬、石武等鐵路連續(xù)梁橋，尚未大規(guī)模使用。

近年來，鐵路橋梁球型支座系列圖紙已經(jīng)頒布，其設(shè)計(jì)荷載、位移、轉(zhuǎn)角和外形尺寸、螺栓孔位置、梁底預(yù)埋件及墩頂連接件等接口均與我國鐵路通用簡支梁橋圖紙相配套，并與簡支梁支座通用參考圖相一致，實(shí)現(xiàn)了替換現(xiàn)有通用簡支梁橋采用的支座形式的目標(biāo)。2013年中國鐵路總公司頒布了鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3320—2013《鐵路橋梁球型支座》，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量和驗(yàn)收。

表3 成品支座整體力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

目前，球型支座產(chǎn)品已應(yīng)用于京石、武威、蘭新、杭長、合福、沈丹等客運(yùn)專線，且在國內(nèi)建成了多條生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)。新研制的球型支座適應(yīng)性強(qiáng)、整體耐久性好，延長了使用壽命，減少了養(yǎng)護(hù)維修工作量，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

8 結(jié)束語

球型支座以其質(zhì)量可靠、性能優(yōu)良、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)在我國鐵路新線建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)帶動(dòng)了國內(nèi)支座的研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)架設(shè)水平的提高，達(dá)到了國際先進(jìn)技術(shù)水平；尤其是高速鐵路和重載鐵路，球型支座的應(yīng)用解決了鐵路建設(shè)中的實(shí)際問題。目前已開通運(yùn)營的各條新建線路中，在列車運(yùn)行速度快、軸重較高的運(yùn)營條件下，球型支座發(fā)揮了良好的作用，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著。

[1] 莊軍生．橋梁支座[M]．北京：中國鐵道出版社，2010．

[2] 中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所． 新線建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究——鐵路簡支梁橋球型鋼支座試驗(yàn)研究[R]，2011．

[3] 臧曉秋，石秋君，佟嘉明，等． 高速鐵路橋梁支座概述[C]//第十二屆全國橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2012．

[4] TB/T 3320—2013 鐵路橋梁球型支座[S]．

[5] GB/T 17955—2009 橋梁球型支座[S]．

石秋君：中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，助理研究員，北京，100081

佟嘉明：中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，助理研究員，北京，100081

臧曉秋：中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，研究員，北京，100081

張 雯：中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，工程師，北京，100081

責(zé)任編輯 苑曉蒙

U443

A

1672-061X（2015）02-0049-04

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2010G016-F）。

所獲獎(jiǎng)項(xiàng)：2014年度中國鐵道學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。