曹家圈黃河大橋輥軸支座病害整治技術

張晶

（中國鐵路濟南局集團有限公司工務部，濟南 250001）

支座作為梁部的支點，是各種荷載集中作用的部位，在整個橋梁結構中支座是極其重要的組成部分，支座的性能關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重載鐵路經過長時間的運營，橋梁支撐體系出現了一些問題，尤其是重載的長期適應性問題更為突出［3-5］。部分橋梁支座出現了支座位移超限、限位銷剪斷等病害，個別支座損壞較大，已開始逐漸更換［6-7］。

近幾年對鐵路輥軸支座的病害調研發現：①螺栓松動或丟失、支座防護罩缺失、支座銹蝕等［8-10］病害，通過正常的養護維修即可消除；②支座縱向位移過大且無法復位、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展，可能會對運營安全造成隱患。因此本文以京滬線曹家圈黃河大橋為例，介紹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4孔（112+120+120+112）m穿式連續鋼桁梁及1跨64 m穿式簡支鋼桁梁組成，正橋連續鋼桁梁的質量為3 792 t，主梁中心距為10 m，梁高13.4 m；在110#—114#墩上設輥軸支座（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。輥軸是實現活動支座移動功能的部件，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，隨輥軸一起轉動。上下2塊連接板通過螺栓連接在輥軸上，輥軸轉動時連接板做水平移動。

圖1 輥軸支座

1.2 病害情況

調研時發現114#墩活動支座中間輥軸端部螺栓被剪斷，牙板與輥軸脫離，中間輥軸傾斜嚴重，不再隨兩端輥軸一起移動。110#墩活動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 輥軸活動支座病害

1.3 病害分析

支座將橋梁上部結構荷載傳到下部結構，受力復雜，養護困難，屬易損結構。該橋位于京滬干線，車流密度大，隨著支座服役時間的增加，各摩擦副不斷產生磨損，出現輥軸不均勻滾動，導致連接件承受較大的附加力而產生變形甚至損壞，輥軸傾角進一步加大，造成支座無法行使其正常功能。

2 支座病害整治方案

2.1 方案設計

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，在中間輥軸上增設牙板；②更換支座。2002年采用方案①對114#墩進行加固處理，加固后暫時消除了病害，但2005年再次出現病害并不斷惡化。結合其他輥軸支座病害整治經驗，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平移式支座代替輥軸形式。前者更換整個支座，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現傳力和平移、支座上下擺來實現轉角變位，滿足支座的傳力和適應鋼梁變位的使用功能；但施工時需全部拆除舊支座才能更換新支座。拆除后需設臨時支座，梁頂起高度大，且施工期間需慢行，工期長，安全風險大。滑動平移式支座代替輥軸形式是通過上下擺接觸面以面應力實現傳力，以板間滑動來實現平移，通過支座上下擺來實現轉角變位；施工時最大限度地保留了原支座部件，只需將輥軸抽出，推入滑動支座，施工工期短且方便易行。因此，選擇滑動平移式支座代替輥軸形式更換支座。

2.2 支座選型及尺寸

新制支座應滿足如下基本需求：

1）使用性能要求。根據《濟南黃河大橋竣工圖》，原邊墩為單向活動支座，設計承載力為7 090 kN，縱向活動位移量為±120 mm。

2）尺寸要求。支座高度應與原輥軸高度一致，上板及下板尺寸與原支座下擺及底板尺寸相匹配，并預留對應的橫向限位卡槽；原支座地腳螺栓橫橋向凈距為900 mm，為方便新支座安裝，要求支座橫橋向寬度小于900 mm。

3）耐久性要求。支座鑄鋼要求采用ZG2700-500材質，滑動磨耗層要求設計使用壽命50年以上，滑動摩擦因數不大于0.05。

根據上述要求，新制支座設計基本尺寸如圖3所示，同時設置了上下擋板防止支座滑出。

圖3 新設計支座尺寸（單位：mm）

3 方案實施

3.1 整體布置

現場勘察發現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。原支座設計承載力為7 090 kN。為獲得準確頂升力，采用有限元軟件MIDAS/Civil對整體結構進行建模計算（圖5）。通過計算可得結構頂升45 mm所需單點頂升力為2 860 kN。本次頂升千斤頂單點選取4×2 000 kN千斤頂，頂升力為8 000 kN，安全系數在2倍以上。千斤頂要求可以進行單個鎖定和區域鎖定，并保持恒定的荷載和位移。千斤頂布置于原橫梁臨時支撐位置，單個橋墩共布置8臺頂升千斤頂。千斤頂底部支撐采用鋼墊塊臨時支撐，底部設置四氟滑板以適應主梁的順橋向位移，頂部布設鋼墊塊以擴大頂升力的分布范圍，減小應力集中。

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平，滑道頂面基本與原支座輥軸底面標高一致。

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

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生橫向位移，頂升前需增設橫向限位裝置。在橋墩上設置限位架，鋼桁梁上設置反力架，在反力架及連接型鋼之間設置橡膠板，實現橫向限位。

圖5 頂升力計算模型

3.2 支座更換步驟

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

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

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時停止。檢測主梁、墩身結構及千斤頂同步頂升系統是否正常工作。檢測合格后，千斤頂卸載，恢復原支座的受力狀態。

3）頂升更換支座。封鎖鐵路上下行180 min；解除邊墩附近20 m范圍內軌道扣件；8臺千斤頂同步頂升鋼梁45 mm；拆除支座牙板，抽出輥軸；安裝新支座及上下擋板。

4）同步落梁，恢復線路。支座安裝到位后，各支點同步落梁至原標高，恢復橋面線路扣件。

5）線路檢查開通。檢查并確認線路和鋼梁狀態，達到放行列車條件后開通線路。

3.3 施工監控

為保證頂升過程的同步性，整個位移頂升過程用位移傳感器進行實時動態監控，監測內容包括：

1）豎向位移

頂升及落梁過程需嚴格控制頂升量及單墩頂升位移不同步誤差，需要在每個頂升點布設豎向位移傳感器進行實時監測。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。

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生橫橋向位移，需嚴密觀測梁體的橫橋向位移。因此，在每個頂升點布設橫向位移傳感器。

3.4 實施效果

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

4 結語

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