曹家圈黃河大橋輥軸支座病害整治技術(shù)

張晶

（中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，濟(jì)南 250001）

支座作為梁部的支點(diǎn)，是各種荷載集中作用的部位，在整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)中支座是極其重要的組成部分，支座的性能關(guān)系到橋梁乃至整條線路的整體性能［1-2］。我國既有普通鐵路和煤運(yùn)重載鐵路經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)營，橋梁支撐體系出現(xiàn)了一些問題，尤其是重載的長期適應(yīng)性問題更為突出［3-5］。部分橋梁支座出現(xiàn)了支座位移超限、限位銷剪斷等病害，個(gè)別支座損壞較大，已開始逐漸更換［6-7］。

近幾年對鐵路輥軸支座的病害調(diào)研發(fā)現(xiàn)：①螺栓松動(dòng)或丟失、支座防護(hù)罩缺失、支座銹蝕等［8-10］病害，通過正常的養(yǎng)護(hù)維修即可消除；②支座縱向位移過大且無法復(fù)位、支座的銷子擺卡被剪斷、螺栓被剪斷或拔掉等問題，則需要更換支座部件或直接更換支座。如果任由病害長期發(fā)展，可能會(huì)對運(yùn)營安全造成隱患。因此本文以京滬線曹家圈黃河大橋?yàn)槔榻B輥軸支座的病害成因及整治方案。

1 橋梁支座病害情況

1.1 工程概況

京滬線曹家圈黃河特大橋的正橋由1聯(lián)4孔（112+120+120+112）m穿式連續(xù)鋼桁梁及1跨64 m穿式簡支鋼桁梁組成，正橋連續(xù)鋼桁梁的質(zhì)量為3 792 t，主梁中心距為10 m，梁高13.4 m；在110#—114#墩上設(shè)輥軸支座（圖1），支座高度為1.26 m，由上擺、下擺、輥軸、底板、連接件及錨固螺栓組成。輥軸是實(shí)現(xiàn)活動(dòng)支座移動(dòng)功能的部件，為防止其傾倒，在輥軸兩端嵌有牙板，并插入上擺和底板的槽口內(nèi)，隨輥軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。上下2塊連接板通過螺栓連接在輥軸上，輥軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)連接板做水平移動(dòng)。

圖1 輥軸支座

1.2 病害情況

調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)114#墩活動(dòng)支座中間輥軸端部螺栓被剪斷，牙板與輥軸脫離，中間輥軸傾斜嚴(yán)重，不再隨兩端輥軸一起移動(dòng)。110#墩活動(dòng)支座中間輥軸連桿螺栓被剪斷，輥軸傾斜，病害情況見圖2。

圖2 輥軸活動(dòng)支座病害

1.3 病害分析

支座將橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載傳到下部結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，養(yǎng)護(hù)困難，屬易損結(jié)構(gòu)。該橋位于京滬干線，車流密度大，隨著支座服役時(shí)間的增加，各摩擦副不斷產(chǎn)生磨損，出現(xiàn)輥軸不均勻滾動(dòng)，導(dǎo)致連接件承受較大的附加力而產(chǎn)生變形甚至損壞，輥軸傾角進(jìn)一步加大，造成支座無法行使其正常功能。

2 支座病害整治方案

2.1 方案設(shè)計(jì)

整治輥軸支座病害主要有2種方案：①扶正歪斜輥軸，在支座下擺和支座底板上固定帶牙板槽口的鋼板，在中間輥軸上增設(shè)牙板；②更換支座。2002年采用方案①對114#墩進(jìn)行加固處理，加固后暫時(shí)消除了病害，但2005年再次出現(xiàn)病害并不斷惡化。結(jié)合其他輥軸支座病害整治經(jīng)驗(yàn)，采用方案①的加固措施已不能根治該類病害，因此選擇更換支座的方案。

更換支座有2種形式，即采用原輥軸支座形式和采用滑動(dòng)平移式支座代替輥軸形式。前者更換整個(gè)支座，包含上下擺和輥軸，后者只更換支座的輥軸。原輥軸支座形式是通過輥軸實(shí)現(xiàn)傳力和平移、支座上下擺來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角變位，滿足支座的傳力和適應(yīng)鋼梁變位的使用功能；但施工時(shí)需全部拆除舊支座才能更換新支座。拆除后需設(shè)臨時(shí)支座，梁頂起高度大，且施工期間需慢行，工期長，安全風(fēng)險(xiǎn)大。滑動(dòng)平移式支座代替輥軸形式是通過上下擺接觸面以面應(yīng)力實(shí)現(xiàn)傳力，以板間滑動(dòng)來實(shí)現(xiàn)平移，通過支座上下擺來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角變位；施工時(shí)最大限度地保留了原支座部件，只需將輥軸抽出，推入滑動(dòng)支座，施工工期短且方便易行。因此，選擇滑動(dòng)平移式支座代替輥軸形式更換支座。

2.2 支座選型及尺寸

新制支座應(yīng)滿足如下基本需求：

1）使用性能要求。根據(jù)《濟(jì)南黃河大橋竣工圖》，原邊墩為單向活動(dòng)支座，設(shè)計(jì)承載力為7 090 kN，縱向活動(dòng)位移量為±120 mm。

2）尺寸要求。支座高度應(yīng)與原輥軸高度一致，上板及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900 mm，為方便新支座安裝，要求支座橫橋向?qū)挾刃∮?00 mm。

3）耐久性要求。支座鑄鋼要求采用ZG2700-500材質(zhì)，滑動(dòng)磨耗層要求設(shè)計(jì)使用壽命50年以上，滑動(dòng)摩擦因數(shù)不大于0.05。

根據(jù)上述要求，新制支座設(shè)計(jì)基本尺寸如圖3所示，同時(shí)設(shè)置了上下?lián)醢宸乐怪ё觥?/p>

圖3 新設(shè)計(jì)支座尺寸（單位：mm）

3 方案實(shí)施

3.1 整體布置

現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)110#和114#墩頂頂面操作空間均滿足支座更換需求，支座更換整體布置如圖4所示。

圖4 橋墩支座更換整體布置

支座更換整體布置的主要裝置包括：

1）頂升千斤頂。原支座設(shè)計(jì)承載力為7 090 kN。為獲得準(zhǔn)確頂升力，采用有限元軟件MIDAS/Civil對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算（圖5）。通過計(jì)算可得結(jié)構(gòu)頂升45 mm所需單點(diǎn)頂升力為2 860 kN。本次頂升千斤頂單點(diǎn)選取4×2 000 kN千斤頂，頂升力為8 000 kN，安全系數(shù)在2倍以上。千斤頂要求可以進(jìn)行單個(gè)鎖定和區(qū)域鎖定，并保持恒定的荷載和位移。千斤頂布置于原橫梁臨時(shí)支撐位置，單個(gè)橋墩共布置8臺(tái)頂升千斤頂。千斤頂?shù)撞恐尾捎娩搲|塊臨時(shí)支撐，底部設(shè)置四氟滑板以適應(yīng)主梁的順橋向位移，頂部布設(shè)鋼墊塊以擴(kuò)大頂升力的分布范圍，減小應(yīng)力集中。

2）輥軸滑道。輥軸支座沿橫橋向向外拖出，滑道采用型鋼配合鋼板調(diào)平，滑道頂面基本與原支座輥軸底面標(biāo)高一致。

3）新支座滑道。新支座滑道布置于引橋側(cè)，滑道采用型鋼配合鋼板調(diào)平，滑道頂面基本與原支座輥軸底面標(biāo)高一致。

4）橫向限位。為避免由于橫向溫度梯度造成頂升過程中橋梁產(chǎn)生橫向位移，頂升前需增設(shè)橫向限位裝置。在橋墩上設(shè)置限位架，鋼桁梁上設(shè)置反力架，在反力架及連接型鋼之間設(shè)置橡膠板，實(shí)現(xiàn)橫向限位。

圖5 頂升力計(jì)算模型

3.2 支座更換步驟

支座整治采用滑動(dòng)平移式支座更換原支座輥軸，由于原輥軸與下板之間設(shè)置卡槽，須將梁體頂升45 mm后取出輥軸，施工流程如下：

1）施工準(zhǔn)備。新支座加工、人員和機(jī)具進(jìn)場、腳手架搭設(shè)、橋墩清理、原輥軸及新舊支座滑道布設(shè)；新支座就位、鋼墊塊及頂升設(shè)備等就位，橫向限位裝置安裝、下擺臨時(shí)鎖定等。

2）試頂升。封鎖鐵路上下行120 min，開啟泵站，頂升至主梁脫空2 mm時(shí)停止。檢測主梁、墩身結(jié)構(gòu)及千斤頂同步頂升系統(tǒng)是否正常工作。檢測合格后，千斤頂卸載，恢復(fù)原支座的受力狀態(tài)。

3）頂升更換支座。封鎖鐵路上下行180 min；解除邊墩附近20 m范圍內(nèi)軌道扣件；8臺(tái)千斤頂同步頂升鋼梁45 mm；拆除支座牙板，抽出輥軸；安裝新支座及上下?lián)醢濉?/p>

4）同步落梁，恢復(fù)線路。支座安裝到位后，各支點(diǎn)同步落梁至原標(biāo)高，恢復(fù)橋面線路扣件。

5）線路檢查開通。檢查并確認(rèn)線路和鋼梁狀態(tài)，達(dá)到放行列車條件后開通線路。

3.3 施工監(jiān)控

為保證頂升過程的同步性，整個(gè)位移頂升過程用位移傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，監(jiān)測內(nèi)容包括：

1）豎向位移

頂升及落梁過程需嚴(yán)格控制頂升量及單墩頂升位移不同步誤差，需要在每個(gè)頂升點(diǎn)布設(shè)豎向位移傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。頂升位移控制在45 mm，單墩頂升位移不同步誤差控制在2 mm以內(nèi)。

2）橫向位移

受橫向溫度梯度的影響，梁體頂升過程中可能產(chǎn)生橫橋向位移，需嚴(yán)密觀測梁體的橫橋向位移。因此，在每個(gè)頂升點(diǎn)布設(shè)橫向位移傳感器。

3.4 實(shí)施效果

2016年10月對110#和114#墩病害支座輥軸進(jìn)行了更換施工，截至目前新支座工作狀態(tài)良好。

4 結(jié)語

本文采用滑動(dòng)平移式支座代替輥軸的方案能徹底解決輥軸支座病害，具有對鐵路運(yùn)營影響小、方案安全且方便易行的優(yōu)點(diǎn)，可為今后既有輥軸支座的病害整治提供參考。