支座摩阻力對五孔連續鋼桁梁上部結構的影響

陳朝輝 鄭為偉 顏亮亮

中國鐵路上海局集團有限公司工務部，上海 200071

支座是將橋梁上部結構承受的荷載傳遞到下部結構并具有適應橋跨變位功能的重要結構，對整個橋梁結構具有重要的作用。在橋梁設計和計算中，一般不考慮支座摩阻力對上部結構的影響，然而支座摩擦阻力客觀存在，現行橋涵設計規范均給出了支座摩阻力系數的推薦參考值：對于連續結構橋墩及基礎，計算恒載作用下支座摩擦阻力作用時，橡膠支座、平板支座及弧形支座摩阻系數為0.1~0.2，輥軸（搖軸）支座摩阻系數為0.05［1］；滾動支座或擺動支座摩阻系數為0.05［2］。規范對橋梁下部結構受力計算進行了規定，然而對上部結構的內力和變形未涉及。由于作用力與反作用力的關系，實際橋梁結構中支座摩擦阻力對上部結構必將產生影響，進而對大跨度橋梁-軌道系統的伸縮附加力和斷軌附加力有較大影響［3］。同時，梁體會產生軸力和初始偏心彎距，在超靜定結構中還會引起二次內力［4-5］。支座摩阻力對混凝土連續梁上部結構產生的應力有可能達到恒載應力的5%以上，因此完全忽略支座摩阻力是不安全的［6］。

實際橋梁中支座摩擦阻力和養護條件密切相關，如鋼支座活動部件制造工藝、潤滑作用、潤滑油有無老化、灰塵有無積聚等。若養護部門對支座的養護不夠重視，支座摩阻系數增大，甚至會超出設計值或參考值，活動性能也將大大降低。特別是長大多跨連續結構，支座摩阻力對上部結構受力產生很大的影響，而橋梁設計時未考慮。國內關于支座摩阻力對鋼桁梁橋上部結構力學行為的影響鮮有論述。

本文對既有鐵路五孔連續鋼桁梁進行靜動載試驗，結合試驗值和理論計算值分析支座摩擦阻力對橋梁上部結構受力的影響。

1 工程概況

既有鐵路一座下承式鉚焊連續鋼桁梁于1975 年建成，跨徑組合為5×80 m（圖1），主桁為平弦三角形體系，主桁中心距為10 m，桁高12.8 m，節間長度8 m，桿件寬度720 mm，弦桿高760 mm，桿件均為H 形截面。橋面系縱橫梁在頂部通過魚形板進行連接。設計活載為中-22 級，主桁材料為16 錳低合金鋼，支座為輥軸支座。該橋主要特點是固定支座位于端部的0#墩。外觀檢查發現僅5#墩支座狀態稍差外，其他輥軸活動支座保養狀態良好。

圖1 五孔連續鋼桁梁立面（單位：m）

2 理論計算

利用MIDAS 軟件建立連續鋼桁梁有限元模型，主桁桿件、縱橫梁、上下平聯、橋門架、橫向聯結系、制動撐架等均采用梁單元模擬，橋墩承臺處按固結處理。在恒載及設計活載作用下，理論模型計算得到的主桁桿件內力和跨中撓度均與設計值吻合良好，誤差不超過5%。設計計算值不考慮縱橫梁及上下平聯的共同作用，故認為該有限元模型計算精度滿足要求。

由于支座摩阻系數與溫度、初始位置、加載速度和方向等多種因素相關，受力機理較為復雜。本文將輥軸活動支座的摩阻力簡化為在支座轉動中心施加一個恒定的軸力，支座轉動中心與下弦中線連接采用剛臂單元，模擬試驗荷載作用下摩阻力對鋼桁梁上部結構的影響。試驗表明，滾動滑移支座摩阻系數通常較小［5］，一般為1%~5%，常溫下多為3%。該橋1#—4#墩支座處于正常狀態，因此，假設其摩阻系數相同，分別取3%和5%作為通常值和規范參考值［1-2］；5#墩支座位于梁端，狀態相對稍差，分別取5%和7%作為通常值和規范參考值。靜載試驗荷載采用上下行2 組：1×ND5機車+5×KZ70（滿載，長度77.091 m），1#—5#墩處支座摩阻力F=μ×（W恒反+W活反），μ為支座摩阻系數，W恒反為恒載反力，W活反為第1 孔滿載反力。計算結果見表1。表中負值表示支座受拉。

表1 1#—5#墩處支座反力和摩阻力 kN

第1 孔桿件軸力和跨中撓度理論計算值見表2，F0.03引起的桿件附加彎曲應力和軸力見圖2。表中負值表示桿件受壓或產生向上位移。

表2 第1孔桿件軸力和跨中撓度理論計算值

圖2 F0.03引起的桿件附加彎曲應力和軸力

由表2和圖2可知：①第1孔梁在恒載及試驗荷載滿載作用下，固定跨上部結構產生了較大的附加內力并發生上拱。在F0.03作用下，跨中下弦桿、上弦桿、端斜桿附加軸力分別為恒載軸力的29.1%、10.0%和3.8%，附加彎矩引起支點處桿件E10E11 產生最大應力6.2 MPa，引起1.90 mm 的上拱。②在F0.05作用下，跨中下弦桿、上弦桿、端斜桿附加軸力分別為恒載軸力的47.6%、16.3%和6.2%，附加彎矩引起支點處桿件E10E11 產生最大應力10.4 MPa，引起3.11 mm 的上拱。③支座摩阻力對鋼桁梁上部結構主桁桿件內力產生了很大的影響，對下弦桿為減載作用，對上弦桿和端斜桿為加載作用，這會大大降低其承載能力。因此，在橋梁養護中應注重對支座的養護，使支座的摩阻系數在設計值和參考值范圍內。

3 橋梁上部結構荷載試驗測試數據分析

利用試驗列車荷載對5 孔梁加載，選擇5 孔梁實測支座位移及第1 孔和第5 孔下弦桿應力、跨中撓度進行對比，并分析支座摩阻力對模態試驗的影響。

3.1 支座位移

由于各孔梁相鄰支座存在活動性差異，故采用縱向相對位移進行分析。試驗荷載作用下支座縱向相對位移見表3。可知，由于2#—5#墩處各輥軸活動支座摩擦力累積，使得第1 孔鋼桁梁支座位移結構校驗系數（0.63）明顯小于第5孔鋼桁梁支座位移結構校驗系數（0.83）。

表3 試驗荷載作用下支座縱向相對位移

3.2 跨中下弦桿應力

連續鋼桁梁結構存在對稱性，在相同荷載作用下，跨中下弦桿E4E5（第1 孔）與E4′E5′（第5 孔）產生相等的內力，然而實際上由于支座縱向約束的不同，實測應力也不同。試驗荷載作用下應力見表4。表中負值表示桿件受壓。

表4 試驗荷載作用下應力

由表4 可知：①由于輥軸支座摩阻力對上弦桿的加載作用，使得上弦桿結構校驗系數超過1。②由于第1孔支座摩擦阻力的累積作用，使下弦桿減載，應力實測值偏小，第1孔梁跨中下弦桿E4E5的實測應力結構校驗系數（0.75）明顯小于第5孔跨中下弦桿E4′E5′應力結構校驗系數（0.87）。③根據結構對稱性，跨中下弦桿E4E5（第1孔）與E4′E5′（第5孔）理論計算值基本相等（由于試驗車不對稱，理論值稍有差別），結構校驗系數也應一致。基于此，按照相同荷載和結構校驗系數換算，第1孔梁跨中下弦桿E4E5軸向應力比第5孔跨中下弦桿E4′E5′少5.1 MPa，根據桿件面積得到軸力減少了296 kN，與計算模型中第1 孔跨中下弦桿附加軸力（445.7 kN）和第5 孔跨中下弦桿附加軸力（186.2 kN）的差值259.5 kN 接近，表明支座摩阻力對鋼桁梁上部結構主桁桿件會產生較大的影響。

3.3 跨中撓度

第1、5 孔梁的理論豎向剛度應相同，而實際情況不同。試驗荷載作用下跨中撓度見表5。可知，由于第1孔梁比第5孔梁所受摩阻力大，第1孔梁撓度結構校驗系數（0.78）小于第5 孔梁撓度結構校驗系數（0.82），表明增加支座摩阻力會減小主桁撓度。支座摩阻力對橋梁上部結構撓度的影響小于應力的影響。

表5 試驗荷載作用下跨中撓度

3.4 模態試驗

試驗模態測試采用環境激勵法，由于支座縱向摩擦阻力相當于對結構提供縱向約束剛度，提高了結構的豎向剛度，且與豎向動力特性有關，故僅列出豎向自振特性，見表6。可知，第1 孔固定墩邊跨對支座縱向約束比較敏感，其1 階豎向彎曲振動自振頻率實測值與理論值的比值（1.14）明顯大于其他階次的比值（1.04~1.06）。原因是1#—5#支座摩阻力的累積作用使得第1孔所受支座摩阻力較大，其縱向約束大，則豎向剛度和自振頻率也較大。

表6 豎向自振特性

4 結論

1）支座摩阻力對橋梁上部結構應力的影響大于對撓度的影響。支座摩阻力具有累積作用，且固定支座孔跨的上部結構受力受其影響最大。

2）在恒載、活載等作用下，支座摩阻力的存在使鋼桁梁上部結構主桁桿件產生較大的附加彎矩和軸力，對上部結構主桁桿件產生不利影響。

3）由于支座摩擦阻力相當于對結構提供縱向約束剛度，提高了結構的豎向剛度，對豎向動力特性也會產生影響。

建議橋梁養護部門注重對支座的養護，滑動、滾動面保持清潔和潤滑，使支座的摩阻系數在設計值和參考值范圍內。