重載鐵路橋梁支座病害分析及改造技術

孫明德 臧曉秋 曹志峰 董亮 葛凱 張國強 張志國

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.中國鐵路太原局集團有限公司，太原030013

重載鐵路運營荷載大，列車運行密集，且近年來列車軸重增加，導致鐵路橋梁和支承體系出現不同程度病害［1-2］。支座將橋梁上部結構的反力和變形可靠地傳遞給橋梁的下部結構，并滿足橋梁變形的需要［3-4］。重載鐵路橋梁支座在大軸重運營荷載作用下，其豎向、水平承載力增加，在長期運營后銹蝕嚴重。豎向承載力增加導致支座的弧形接觸面被壓平、支座無法轉動或轉角超限等問題；水平承載力增加導致支座銷釘剪斷、位移超限、螺栓剪斷等問題；支座銹蝕導致支座不能轉動、不能活動等問題；進而影響橋梁的伸縮或轉動，嚴重時會危及鐵路行車安全［5-7］。

經現場調研，發現重載鐵路支座的平板支座、弧形支座和搖軸支座的病害嚴重。由于這三種支座服役年限長，運營荷載大，軸重增加后承載力安全儲備小。鉸軸滑板支座、盆式橡膠支座和球型支座由于服役時間短和承載力安全儲備高，病害相對較少。為保證運營安全，針對病害嚴重的支座進行定期觀測、整治或更換處理［8］。本文主要對重載鐵路橋梁的平板、弧形和搖軸支座的病害原因進行分析，并提出支座更換建議方案。

1 重載鐵路橋梁支座病害情況

1.1 平板支座

平板支座由平面鋼板組成，其位移量有限，梁端不能完全轉動，對鐵路橋可用于8 m 跨度，一般結構圖和常見病害見圖1。根據現場調研，既有重載鐵路橋梁平板支座的常見病害為：①支座銹蝕嚴重，支座上下座板銹死。②支座不能轉動和滑動。③螺栓剪斷。

圖1 平板支座

1.2 弧形支座

弧形支座由上下支座板和銷釘組成［5］。下支座板的頂面是弧面，上支座板的底面是平面，滿足支座轉動功能，上下座板通過銷釘連接。固定支座的銷釘孔為圓孔，支座不能滑移；活動支座的銷釘孔為長圓孔，支座可在縱向做少量滑移。弧形支座一般結構圖和常見病害見圖2。

圖2 弧形支座

根據現場調研，既有重載鐵路橋梁弧形支座的常見病害為：①支座銹蝕，下座板弧形接觸面被壓平，支座縱向滑動不靈活、轉動困難。②螺栓剪斷。③支座上、下座板的銷釘剪斷，發生縱向錯位。

1.3 搖軸支座

搖軸支座分為固定支座和活動支座。固定支座由上擺和下擺組成，上下擺分別與梁底和墩臺連接，支座只能轉動；活動支座由上擺、搖軸和下支座板組成，搖軸的兩端均為圓曲面形，能自由轉動，并由下擺轉動后頂、底面的位移差來適應梁體位移的需要。搖軸支座一般結構圖和常見病害見圖3。

圖3 搖軸支座

根據現場調研，既有重載鐵路橋梁搖軸支座的常見病害為：①下擺傾斜度超標。②下擺與底板間的限位銷剪斷、錨固螺栓剪斷等。③位移超限。

2 支座病害原因分析

既有重載鐵路橋梁支座的主要病害包括支座銹蝕嚴重、螺栓剪斷、無法轉動、無法滑動等。導致上述病害出現的原因分述如下。

1）平板支座

養護不到位，造成支座銹蝕嚴重，影響支座的滑動和轉動，支座縱向無法滑動，在梁體伸縮時支座的錨栓承受更大的水平力，進而導致螺栓剪斷；由于豎向荷載大，平板支座的上下座板間的石棉瓦被擠出，導致支座轉動困難。

2）弧形支座

在重載和長期運營條件下，下座板弧形接觸面由于荷載過大被壓平，導致支座轉動困難；弧形支座下座板錨栓與鋼板焊接后錨栓的抗剪強度降低，滑動支座不能滑動導致水平力增加，進而導致螺栓或銷軸剪斷；養護不到位，導致支座銹蝕嚴重，影響支座的滑動和轉動。

3）搖軸支座

列車軸重增大、列車速度提升，支座下擺的弧形接觸面被壓平，以及支座銹蝕嚴重，導致支座不能轉動、位移無法復位和銷軸、螺栓剪斷等病害。

3 支座改造技術

3.1 平板支座

重載鐵路橋梁平板支座的高度一般為9 cm，上支座板通過預埋螺栓和梁體連接，下支座板通過螺栓與墩頂連接。平板支座出現病害時需要更換。

1）采用同型號平板支座更換，位移量有限、轉角小，更換后易再次出現類似病害。

2）采用板式橡膠支座更換，具有構造簡單、成本低等優點，高度滿足平板支座要求，但橫向剛度小和復雜環境下耐久性較差。

3）采用球型支座更換，可采用特殊設計的低高度球型支座進行更換，其轉動靈活、承載能力高、容許支座位移大、無橡膠材料耐久性好等特點，能減少后續維護。平板支座更換時建議采用特殊設計的低高度球型支座。

3.2 弧形支座

重載鐵路橋梁弧形支座的高度一般為18 ～22 cm，上支座板通過螺栓和梁體連接，下支座板與下部鋼墊板通過焊接連接，鋼墊板與預埋在墩頂的4 根螺栓焊接。針對弧形支座的病害須進行支座更換。

1）采用同型號弧形支座更換，弧形支座的轉角、滑動有限且上下座板為線接觸，更換后類似病害隨著運營再次產生，需再次更換。

2）采用球型支座更換，由于弧形支座上座板螺栓間距的限制，支座球冠直徑較小，滑板承壓應力超限，不滿足要求。

3）采用柱面支座更換，支座傳力明確、轉動力矩小、承載能力強和耐久性好，能減少后續維護。弧形支座更換時建議采用柱面支座。

3.3 搖軸支座

針對搖軸支座的病害，須更換支座。

1）采用同型號搖軸支座更換，更換后類似病害隨著運營再次產生，需要再次更換。

2）采用鉸軸滑板支座更換，將線接觸轉化為面接觸，降低了接觸應力；轉動靈活，滑動摩擦系數小，與搖軸支座的接口尺寸一致。搖軸支座更換時建議采用鉸軸滑板支座。

3.4 螺栓剪斷

平板支座、弧形支座和搖軸支座的上下座板都存在螺栓剪斷的問題。由于既有螺栓與梁體或墩臺澆筑在一起，剪斷后螺栓失效，不能再次使用，因此需要在墩頂、梁底或梁腹板進行錨固。

1）上座板錨固。梁底到墩頂的凈空較小，在支座梁端方向的梁底沒有植筋空間，為保證上座板和梁體錨固，采用U形鋼板進行過渡連接，即U形鋼板錨固在梁體腹板、支座上座板與U形鋼板連接，見圖4。

2）下座板錨固。梁底到墩頂的凈空較小，同一片梁的兩個支座之間沒有植筋操作空間，可在墩頂設置一塊長鋼板進行過渡，即鋼板錨固在墩頂、支座下座板與鋼板連接，見圖4。

圖4 支座錨固示意

4 結論

1）在更換平板支座和弧形支座時，建議將其更換為傳力明確、轉動靈活和耐久性好的球型支座或柱面支座。

2）在更換既有搖軸支座時，建議將其更換為應力面接觸的鉸軸滑板支座。

3）支座上座板螺栓被剪斷，建議在梁腹板錨固U型鋼板進行過渡連接；支座下座板螺栓被剪斷，建議在梁頂錨固長鋼板進行過渡連接。