某鐵路鋼桁梁橋支座病害整治設(shè)計及施工關(guān)鍵技術(shù)

崔海

(中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司， 江蘇 南京 210032)

1 前言

支座是承受上部結(jié)構(gòu)荷載并將其傳遞至下部結(jié)構(gòu)的重要橋梁構(gòu)件。鐵路橋梁由于活載占比較高，能夠達到上部結(jié)構(gòu)總荷載的80%，并且鐵路橋梁滿載速度相當(dāng)快，對于中小跨徑橋梁在1 min之內(nèi)即可實現(xiàn)滿載，對支座的使用提出了很高的要求。

鐵路橋梁通常使用鑄鋼支座，一般情況下活動支座采用輥軸或搖軸形式，相對于固定支座，活動支座具有較高的維護養(yǎng)護要求。支座制造及安裝精度偏差、養(yǎng)護不到位等導(dǎo)致活動支座的病害普遍，對于鐵路運營安全極為不利。

中國鐵路進行了6次大提速，鐵路橋梁承受著較原設(shè)計更為不利的荷載。而具有承上啟下作用的支座，因為運營狀態(tài)改變也逐漸顯露出各種各樣的病害。如何快速識別并及時處理鐵路橋梁支座病害是橋梁工作者面臨的嚴峻問題。

2 項目概況

2.1 橋梁概況

某黃河特大鐵路橋1976年竣工通車，正橋上部結(jié)構(gòu)為1聯(lián)4孔(112+120+120+112) m連續(xù)鋼桁梁，總長度為464 m，總體布置如圖1所示。大橋主桁架采用三角形腹桿體系平行鋼桁形式，主桁高度為12.8 m，主桁中心距離為10 m，節(jié)間長度8 m。

上、下弦桿均釆用組合H形截面，截面高760 mm，寬720 mm；腹桿也采用類似的組合H形截面。上部結(jié)構(gòu)總重量達到了2 600 t。

圖1 某黃河特大橋立面布置圖(除標(biāo)高單位為m外，其余單位:cm)

該大橋上部結(jié)構(gòu)載重標(biāo)準為中-22級，下部結(jié)構(gòu)為中-24級。

2.2 支座結(jié)構(gòu)及病害

該大橋在3#墩上設(shè)置固定支座，其他支座均為輥軸支座，全橋合計使用支座10套，支座橫橋向間距為10 m。輥軸支座高度1 255 mm，順橋向長度1 100 mm，橫橋向長度1 340 mm。每個輥軸支座均由上擺、下擺、輥軸及底板組成。其中上擺和底板分別與鋼桁梁及支撐墊石通過高強螺栓及地腳螺栓連接為整體。輥軸由3個小直徑的輥軸并列、組聯(lián)在一起。除了通過線接觸應(yīng)力傳遞上部結(jié)構(gòu)荷載外，輥軸的轉(zhuǎn)動適應(yīng)并調(diào)節(jié)著橋梁上下部結(jié)構(gòu)之間的縱向位移。輥軸截面與底座和下擺接觸線為同圓心、同半徑的圓弧，即相當(dāng)于一個稍扁的圓柱體的滾動實現(xiàn)支座的平動線位移。為了保證各個小輥軸之間位移聯(lián)動，在小輥軸的上下部分別設(shè)置了連桿。支座下擺與上擺的接觸面加工成弧形以保證適應(yīng)梁端轉(zhuǎn)動變形需要。輥軸支座構(gòu)造如圖2所示。

圖2 輥軸支座構(gòu)造圖(單位：mm)

經(jīng)過近40年運營后，固定支座及中部的兩個輥軸支座運營狀態(tài)良好，但是最端部的輥軸支座由于縱橋向位移量較大，橋梁振動引起的橫橋向擺動沖擊力大而產(chǎn)生了嚴重病害。主要表現(xiàn)在各個小輥軸的傾角不一致，連接螺栓發(fā)生變形的輥軸傾角較大，連接螺栓被剪斷的輥軸則傾斜嚴重，與其他輥軸不相互平行。

3 支座更換總體設(shè)計

3.1 總體設(shè)計思路及新制支座結(jié)構(gòu)

橋梁支座的病害特征顯示，輥軸支座雖然滿足承載力的要求，但是不能滿足正常使用狀態(tài)下變形的需要。因此也不能繼續(xù)更換為原型號和規(guī)格的支座。綜合考慮到既有鋼結(jié)構(gòu)支座高度大、上下部結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)連接可靠、支座的轉(zhuǎn)動變形依然正常等多方面因素，最終確定為將活動支座的輥軸更換為單向滑動支座的改造方案。改造后結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動依然由原支座的上下板間轉(zhuǎn)動實現(xiàn)；新更換的單向滑動支座則適應(yīng)上下部結(jié)構(gòu)之間的縱向滑移。

新制單向滑動支座應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸、使用性能、承載能力和耐久性等方面的要求進行專業(yè)設(shè)計，構(gòu)造如圖3所示。支座的高度應(yīng)與原輥軸高度嚴格一致；上板、下板尺寸與原支座下擺及底板尺寸相匹配，并預(yù)留對應(yīng)的橫向限位卡槽。原支座地腳螺栓橫橋向凈距為90 cm，為方便新支座安裝，要求支座橫橋向?qū)挾刃∮?0 cm。支座設(shè)計承載力不小于709 t，縱向活動位移量為±120 mm。

根據(jù)管理及相關(guān)規(guī)范的要求，支座設(shè)計應(yīng)滿足全壽命設(shè)計要求。新制單向滑動支座的滑動磨耗層要求設(shè)計使用壽命50年以上，滑動摩擦系數(shù)不大于0.05。支座的滑動磨耗層由不銹鋼板和MSM滑板組成。不銹鋼板采用材質(zhì)為00Cr19Ni13Mo3、厚度為3 mm的不銹鋼板，要求平整度偏差不得大于0.000 3d(d為MSM滑板短邊尺寸)，其他技術(shù)條件應(yīng)符合GB/T 3280及支座規(guī)范相關(guān)規(guī)定。MSM滑板應(yīng)滿足GB/T 17955-2009要求，尺寸偏差不得大于1.2 mm，厚度偏差不得大于0.4 mm，外露厚度偏差不得大于0.3 mm。同時MSM滑板不應(yīng)有裂紋、氣泡、分層以及其他影響支座使用性能的缺陷。

圖3 新制單向滑動支座構(gòu)造圖(單位：mm)

3.2 頂升力

支座更換必然涉及到梁體抬高。該項目中采用橫橋向左右兩支點同步頂升的方式，并以滿足操作的基本空間要求為標(biāo)準按照頂升高度控制。

連續(xù)梁邊跨頂升力除與恒載有關(guān)外，還與抬高引起的次內(nèi)力息息相關(guān)。經(jīng)理論計算，各關(guān)鍵控制工況理論頂升力如表1所示。

表1 關(guān)鍵控制工況理論頂升反力(單個支座)

綜上，單個橋墩需要頂升力為5 720 kN，選用8臺200 t的同步頂升千斤頂，每個支座附近設(shè)置4臺。

3.3 端部橫梁可靠性驗證

頂升反力施加于端部橫梁的下方，橫橋向距離橫梁與弦桿中心交叉點1 400 mm。端橫梁的強度和穩(wěn)定性對結(jié)構(gòu)安全和支座更換起決定性作用。利用通用有限元程序Ansys13.0建立仿真分析模型計算(圖4)得出：① 橫梁局部最大應(yīng)力為197 MPa，小于容許值(260 MPa)；② 端部橫梁在頂升力不超過8 000 kN時，端橫梁跨中上翼緣以及頂升支點處加勁板的面外位移基本呈直線變化，且數(shù)值較小。上翼緣板位移相對較大，主要是由于其處于連續(xù)梁的跨中。當(dāng)頂升力在8 000～9 000 kN之間時，則面外變形有直線近似向曲線發(fā)展變化的趨勢，但是依然保持著線性關(guān)系。當(dāng)頂升力超過9 000 kN時，則加勁板處的變形與跨中上翼緣的變形迅速接近，表明端橫梁呈現(xiàn)嚴重的扭轉(zhuǎn)變形。從加載與面外變形關(guān)系曲線可以看出，單點頂升力在9 000 kN以下時是安全的，安全系數(shù)達到了9 000/2 860=3.15。

3.4 橫向限位裝置

通常梁體頂升在溫度相對較均衡、穩(wěn)定的凌晨進行，以避免梯度溫度引起的不均勻變位、變形。尤其橫向變位必須引起高度重視以避免梁體頂升過程中橋梁結(jié)構(gòu)和施工產(chǎn)生安全隱患。但是鐵路的天窗點通常均在接近中午的時間，因此必須考慮日照引起的兩片主桁之間的溫度差。綜合考慮日照時間及升溫速度等，在單片主桁施加20 ℃整體升溫以模擬日照溫度梯度，并具有一定的安全儲備。經(jīng)計算在不設(shè)置橫向限位裝置的情況下，鋼桁梁端部橫橋向位移將達到225 mm。若該位移在梁體頂升或支座更換過程中發(fā)生則足以引起橋梁災(zāi)害事故。因此必須設(shè)置橫橋向限位裝置，并使其承受限制位移而引起的反力，約370 kN。

圖4 端部橫梁局部應(yīng)力及穩(wěn)定計算分析

限位裝置設(shè)置于端橫梁與墩帽之間，總高度1.44 m，如圖5所示?？傮w上由限位擋塊、限位體、緩沖橡膠墊塊及頂?shù)撞垮^固等組成。鋼結(jié)構(gòu)限位體總體上斷面形式為工字形，通過植入鋼螺桿后錨固技術(shù)與既有橋墩墩帽連接為整體。限位擋塊設(shè)置于端部橫梁下方，現(xiàn)場開孔后通過螺栓與端橫梁連接為整體。在限位體和限位擋塊之間設(shè)置緩沖橡膠墊，厚度為2 cm。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 施工前準備工作

支座更換施工不得影響鐵路運營，因此所有的準備工作均需要在鐵路天窗點內(nèi)完成，主要包括頂升系統(tǒng)、支座的吊裝就位，同步千斤頂?shù)脑図斏?。由于墩頂空間較狹小，并且需要擺放千斤頂、新制支座、限位裝置、其他機具設(shè)備及操作人員，合理布局及工序緊密銜接成為在有限的時間內(nèi)完成支座更換的保證。

圖5 橫向限位裝置布置及構(gòu)造(單位：cm)

由于輥軸及新制支座重量大且操作空間狹小，即使梁體抬高后采用人力依然難以移動，因此分別在既有支座的側(cè)面和前方設(shè)置了滑道，布置如圖6所示。梁體抬高后可通過倒鏈葫蘆將輥軸拉出、將新制支座拉入預(yù)定位置。

圖6 墩頂支座更換設(shè)備平面布置示意圖(單位：cm)

千斤頂系統(tǒng)組裝并調(diào)試后，必須進行試頂升，這是檢驗系統(tǒng)可靠性、提前演練、評估天窗點時間是否充足的重要手段。試頂升要求在一個垂直天窗點(120 min)內(nèi)完成，頂升量控制為2 mm。試頂升時詳細記錄頂升速度，并檢查油路是否正常、液壓是否穩(wěn)定、操作是否熟練等。試頂完成后，千斤頂卸載，恢復(fù)原支座的受力狀態(tài)。

4.2 梁體頂升及支座更換

同步頂升量按照45 mm控制，頂升梁體過程中采用分級頂升高度和千斤頂頂升力雙控。頂升共分4級，第一級頂升至支座脫空，其后每15 mm頂升高度為一級，位移計監(jiān)測頂升高度，同時油壓表控制頂升力。每一級頂升到位時持荷時間不少于10 min，同時觀察鋼桁梁結(jié)構(gòu)、限位裝置、千斤頂頂?shù)字|鋼板以及油泵油管等有無異?，F(xiàn)象。每一級頂升時，橫橋向兩個支點位置頂升高度差不得超過0.5 mm。頂升到位時應(yīng)及時機械鎖定千斤頂以保證安全。

為了保證輥軸能夠順利拉出，頂升前利用鋼筋傳入下擺加勁肋上的圓孔后與鋼桁梁固定。頂升到位后，首先接觸輥軸兩側(cè)的牙板，然后采用杠桿和倒鏈葫蘆相配合的方式利用預(yù)先安裝的滑道將輥軸拉出。新制支座利用同樣的方式從另一側(cè)滑道拖入。

5 結(jié)語

鐵路橋梁梁體頂升和支座更換對于施工控制以及作業(yè)時間要求較高，設(shè)計及施工均應(yīng)引起高度重視。該項目中采用新制單向滑動支座代替輥軸的支座病害整治方法是合理、可行的，大橋在支座更換兩年后運營狀態(tài)良好，支座工作狀態(tài)正常。

理論計算以及支座更換實施過程中發(fā)現(xiàn)，設(shè)置橫向限位裝置、設(shè)置專用滑道等措施都是必要的，為施工安全、節(jié)約作業(yè)時間提供了保障。該項目在鐵路天窗點時間內(nèi)順利完成了支座的更換，為鐵路及公路橋梁支座更換提供了參考，積累了寶貴經(jīng)驗。