鐵路常用跨度簡支T梁SQMZ型雙曲面支座的設計研究

任 偉，宋順忱

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津 300142)

1 概述

近年來，隨著橋梁建設的不斷發展，鐵路橋梁中出現了大量的雙線及以上的寬橋，這些橫向較寬的橋梁需要支座在順橋向靈活轉動的同時，橫橋向也需要有一定的轉動能力，以保證橋梁梁端橫向撓曲時不受多余約束，從而改善橋梁梁部及支座的受力條件，提高支座的耐久性、減少使用病害。現有的球形支座具有萬向轉動功能，各向轉動性能一樣，但一般橋梁橫橋向轉動角度比順橋向轉動角度要小，且不需要過于靈活，即橫向能夠提供轉動，但要有一定的阻力。

已經建成的秦沈客運專線比較多地采用了分片式T梁，在梁部架設完成后進行梁端隔板橫向預應力張拉時，出現了兩側邊梁板式橡膠支座隨梁翹起、支座一側脫空的現象，雖經過砂漿調高，但運營后出現支座一側、甚至一角偏壓的情況，使支座受力極為不利，這勢必影響支座的使用壽命。若采用具有雙向轉動功能的支座，且支座發生微小轉動后不影響支座豎向承載時的壓應力分布，則能夠有效避免這種不利情況的發生。

SQMZ型雙曲面支座充分吸取了球形支座、圓柱面支座設計、研究成果和使用經驗，它是在球形支座的基礎上，將球冠襯板在順橋向、橫橋向分別設計為不同曲率半徑的曲面，從而適應實際橋梁使用中2個方向不同的轉動要求。

2 SQMZ支座構造、工作原理及特點

2.1 支座構造

雙曲面支座由上支座板、下支座板、位于上支座板與下支座板之間的雙曲面襯板、位于上支座板與雙曲面襯板之間的不銹鋼板和平面聚四氟乙烯板(組成滑動摩擦副)、鑲嵌在下支座板雙曲面上的曲面聚四氟乙烯板(與雙曲面襯板組成轉動摩擦副)、上下支座板的連接板及連接螺栓、支座錨栓、支座圍板等組成，如圖1所示。按照支座功能分為固定支座、橫向活動支座、縱向活動支座、雙向活動支座共4種支座形式。

圖1 雙曲面支座結構

2.2 支座工作原理

雙曲面支座的工作原理與球形支座基本相同。活動支座的滑動功能由焊接于上支座板下表面的不銹鋼板和鑲嵌于雙曲面襯板上平面的聚四氟乙烯板組成的滑動面來實現;單向活動支座在其非活動方向、固定支座縱橫向限位由上支座板的導向槽實現。

雙曲面支座的轉動功能由雙曲面襯板與鑲嵌在下支座板上的曲面聚四氟乙烯板之間的相對滑動來實現。當雙曲面支座的轉動中心與梁部結構的轉動中心重合時，只需要雙曲面襯板與球面四氟板之間相對滑動就可以實現支座轉動;但當雙曲面支座的轉動中心與梁部結構的轉動中心不重合時，支座的轉動就要受到梁部的約束，此時平面聚四氟乙烯板與不銹鋼板之間產生相對滑動，從而釋放梁部約束，實現支座轉動。

雙曲面支座轉動力矩的大小與雙曲面曲率半徑和平面摩擦阻力有關，靜力平衡關系如圖2所示。

圖2 雙曲面支座球冠襯板靜力平衡關系

對雙曲面曲率中心力的平衡條件為

且

設

則

式中:τe、τk分別為平面和曲面的摩擦應力;μe、μk分別為平面和雙曲面的摩擦系數;V為支座的豎向反力;R為順橋向或橫橋向轉動半徑;h為雙曲面冠高。

從上式可以看出，雙曲面支座轉動時的偏心矩與支座的摩擦系數μ和轉動曲率半徑R有關。

2.3 支座特點

(1)雙曲面支座具有雙向轉動功能，縱、橫向采用不同的曲率半徑，從而具有不同的轉動能力，因此，適用于曲線橋和寬橋;

(2)雙曲面支座在縱向、橫向發生轉動后并不影響其豎向受力，對客運專線T梁或普通鐵路T梁梁體偏斜的適應性強;

(3)雙曲面支座的轉動力矩小，可設計成要求大轉角的支座;

(4)雙曲面支座為鋼支座，不存在橡膠支座中橡膠變硬或老化等對支座轉動性能及耐久性的影響，特別適用于低溫地區;

(5)與球形支座一樣，雙曲面支座通過曲面傳遞豎向力，因此作用在支承墊石上的反力比較均勻;

(6)雙曲面支座傳遞水平力，傳力途徑明確、可靠。

3 SQMZ型雙曲面支座設計

3.1 主要材料

支座主體材料采用ZG270-500或Q345，鏡面不銹鋼、聚四氟乙烯板、SF-Ⅰ復合板。

3.2 主要設計參數

(1)鐵路常用跨度的T梁為12～32 m普通高度預應力混凝土簡支梁，支座豎向承載力分為:1 500、2 000、2 500 kN和3 000 kN。

(2)設計轉角:順橋向設計轉角為0.02 rad;橫橋向設計轉角為0.006 rad。

(3)支座可承受的水平力(主力):固定支座、縱向活動支座橫橋向、橫向活動支座順橋向的設計水平力為支座豎向設計承載力的15%～40%;多向活動支座各向、縱向活動支座順橋向及橫向活動支座橫橋向的設計水平力為支座豎向設計承載力的5%。

(4)設計位移:多向活動支座、縱向活動支座順橋向位移:±30 mm;多向活動支座、橫向活動支座橫橋向位移:±10 mm。

當承載能力和位移量超出使用范圍時，根據承載力和所需位移量的大小可另行設計。

3.3 主要結構檢算

對支座的各個部件進行了全面檢算，包括:支座平面、球面四氟滑板的壓應力，縱橫向活動支座導向滑板壓應力，錨栓剪應力，縱橫向活動支座側向擋塊彎剪組合應力，固定支座上支座板限位環應力，梁、墩臺局部壓應力等，并根據檢算結果對支座尺寸進行了反復設計優化。3 000 kN支座結構主要檢算結果見表1。

3.4 支座有限元分析

為了確切掌握雙曲面支座在運營狀態下的應力分布狀態，采用ANSYS程序對該系列支座進行了有限元局部應力分析。雙曲面支座有限元分析模型如圖3所示。模型中在上支座板頂面施加均布力，在雙曲面支座下支座板底面施加固定約束，在雙曲面支座中的不銹鋼板、中襯板和下支座板與夾在其間的聚四氟乙烯板間建立接觸面，通過非線性分析，以模擬它們之間的相互作用和力的傳遞過程。

表1 3 000 kN支座主要檢算結果 MPa

材料參數:鋼材取E=210 GPa，μ=0.3;聚四氟乙烯板取E=1 200 MPa，μ=0.4;鋼與鋼之間的摩擦系數取0.2;鋼與聚四氟乙烯板之間的摩擦系數取0.03。計算結果見表2。

圖3 雙曲面支座有限元分析模型

表2 3 000 kN支座運營狀態下的有限元分析結果

有限元非線性分析表明，支座鋼結構部分應力水平不高、支座受力均勻，滿足設計要求;平面四氟板、曲面四氟板，與線彈性設計分析結果相比，除個別區域應力水平稍高外，總體上四氟板的應力分布是均勻的。

4 支座試驗情況

為了解支座的變形和支座的轉動、力學特性，對支座進行了試驗。

(1)整體支座豎向承載力試驗:垂直荷載作用下，荷載-支座豎向壓縮變形曲線的測試。

由圖4和圖5可以看出，在垂直壓力 P(最大4 500 kN)作用下，雙曲面支座平均豎向變形最大在0.697～0.727 mm變化，平均0.709 mm，是支座高度的0.53%，小于《球形支座技術條件》(GB/T17955—2000)標準規定的1%限值。試驗后，拆開支座檢查，未發現任何損壞，說明該支座具有良好的豎向承載能力。

圖4 3次試驗上支座板平均豎向壓縮變形－荷載關系

圖5 雙曲面支座平均豎向壓縮變形－荷載關系

(2)順橋向/橫橋向轉動試驗:在垂直荷載3 000 kN作用下，測量支座發生縱向/橫橋向轉動瞬間需要的轉動力矩。試驗結果見表3、表4。

表3 縱向轉動性能測量

表4 橫向轉動試驗性能測量

由表3、表4看出，縱向/橫向最大轉動力矩均滿足《球形支座技術條件》中規定的38.7 kN·m/81.0 kN·m限值要求。

支座試驗結果表明，各項試驗滿足相關規范、標準要求，支座具有良好的豎向承載能力和縱向靈活轉動性能。

5 結語

SQMZ型雙曲面支座是在吸收以往鋼支座設計、使用經驗的基礎上，針對目前橋梁支座使用中的問題及實際使用要求進行有針對性的解決后提出的，具有結構受力合理、使用功能完善、耐久性好，以及維護工作量小且便于養護和更換等優點，可滿足于客運專線、普通鐵路、軌道交通橋梁中的預應力混凝土箱梁、T梁、結合梁及鋼梁等各種梁型的使用要求。

SQMZ型雙曲面支座于2005年9月通過了鐵道部專家評審，并于2006年發布使用。2007年9月，SQMZ型雙曲面支座根據《客貨共線鐵路常用跨度簡支T梁支座安裝圖》(通橋(2007)8160)進行了重新修編，安裝接口完全符合通橋(2007)8160，已經在哈大客運專線、太中銀鐵路等多條鐵路橋梁工程中應用，解決了低溫嚴寒地區盆式橡膠支座易老化問題，具有廣泛的推廣應用前景。

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