孫明德 臧曉秋 曹志峰 董亮 葛凱 張國(guó)強(qiáng) 張志國(guó)

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司，太原030013

重載鐵路運(yùn)營(yíng)荷載大，列車運(yùn)行密集，且近年來(lái)列車軸重增加，導(dǎo)致鐵路橋梁和支承體系出現(xiàn)不同程度病害［1-2］。支座將橋梁上部結(jié)構(gòu)的反力和變形可靠地傳遞給橋梁的下部結(jié)構(gòu)，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(yùn)營(yíng)荷載作用下，其豎向、水平承載力增加，在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后銹蝕嚴(yán)重。豎向承載力增加導(dǎo)致支座的弧形接觸面被壓平、支座無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)角超限等問(wèn)題；水平承載力增加導(dǎo)致支座銷釘剪斷、位移超限、螺栓剪斷等問(wèn)題；支座銹蝕導(dǎo)致支座不能轉(zhuǎn)動(dòng)、不能活動(dòng)等問(wèn)題；進(jìn)而影響橋梁的伸縮或轉(zhuǎn)動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及鐵路行車安全［5-7］。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)重載鐵路支座的平板支座、弧形支座和搖軸支座的病害嚴(yán)重。由于這三種支座服役年限長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)荷載大，軸重增加后承載力安全儲(chǔ)備小。鉸軸滑板支座、盆式橡膠支座和球型支座由于服役時(shí)間短和承載力安全儲(chǔ)備高，病害相對(duì)較少。為保證運(yùn)營(yíng)安全，針對(duì)病害嚴(yán)重的支座進(jìn)行定期觀測(cè)、整治或更換處理［8］。本文主要對(duì)重載鐵路橋梁的平板、弧形和搖軸支座的病害原因進(jìn)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(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)鐵路橋可用于8 m 跨度，一般結(jié)構(gòu)圖和常見(jiàn)病害見(jiàn)圖1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，既有重載鐵路橋梁平板支座的常見(jiàn)病害為：①支座銹蝕嚴(yán)重，支座上下座板銹死。②支座不能轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)。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(zhuǎn)動(dòng)功能，上下座板通過(guò)銷釘連接。固定支座的銷釘孔為圓孔，支座不能滑移；活動(dòng)支座的銷釘孔為長(zhǎng)圓孔，支座可在縱向做少量滑移。弧形支座一般結(jié)構(gòu)圖和常見(jiàn)病害見(jiàn)圖2。

圖2 弧形支座

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，既有重載鐵路橋梁弧形支座的常見(jiàn)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(dòng)不靈活、轉(zhuǎn)動(dòng)困難。②螺栓剪斷。③支座上、下座板的銷釘剪斷，發(fā)生縱向錯(cuò)位。

1.3 搖軸支座

搖軸支座分為固定支座和活動(dòng)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(tái)連接，支座只能轉(zhuǎn)動(dòng)；活動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)，并由下擺轉(zhuǎn)動(dòng)后頂、底面的位移差來(lái)適應(yīng)梁體位移的需要。搖軸支座一般結(jié)構(gòu)圖和常見(jiàn)病害見(jiàn)圖3。

圖3 搖軸支座

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，既有重載鐵路橋梁搖軸支座的常見(jiàn)病害為：①下擺傾斜度超標(biāo)。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(yán)重、螺栓剪斷、無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)、無(wú)法滑動(dòng)等。導(dǎo)致上述病害出現(xiàn)的原因分述如下。

1）平板支座

養(yǎng)護(hù)不到位，造成支座銹蝕嚴(yán)重，影響支座的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，支座縱向無(wú)法滑動(dòng)，在梁體伸縮時(shí)支座的錨栓承受更大的水平力，進(jìn)而導(dǎo)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(dǎo)致支座轉(zhuǎn)動(dòng)困難。

2）弧形支座

在重載和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)條件下，下座板弧形接觸面由于荷載過(guò)大被壓平，導(dǎo)致支座轉(zhuǎn)動(dòng)困難；弧形支座下座板錨栓與鋼板焊接后錨栓的抗剪強(qiáng)度降低，滑動(dòng)支座不能滑動(dòng)導(dǎo)致水平力增加，進(jìn)而導(dǎo)致螺栓或銷軸剪斷；養(yǎng)護(hù)不到位，導(dǎo)致支座銹蝕嚴(yán)重，影響支座的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(yán)重，導(dǎo)致支座不能轉(zhuǎn)動(dòng)、位移無(wú)法復(fù)位和銷軸、螺栓剪斷等病害。

3 支座改造技術(shù)

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(guò)預(yù)埋螺栓和梁體連接，下支座板通過(guò)螺栓與墩頂連接。平板支座出現(xiàn)病害時(shí)需要更換。

1）采用同型號(hào)平板支座更換，位移量有限、轉(zhuǎn)角小，更換后易再次出現(xiàn)類似病害。

2）采用板式橡膠支座更換，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，高度滿足平板支座要求，但橫向剛度小和復(fù)雜環(huán)境下耐久性較差。

3）采用球型支座更換，可采用特殊設(shè)計(jì)的低高度球型支座進(jìn)行更換，其轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、承載能力高、容許支座位移大、無(wú)橡膠材料耐久性好等特點(diǎn)，能減少后續(xù)維護(hù)。平板支座更換時(shí)建議采用特殊設(shè)計(jì)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(guò)螺栓和梁體連接，下支座板與下部鋼墊板通過(guò)焊接連接，鋼墊板與預(yù)埋在墩頂?shù)? 根螺栓焊接。針對(duì)弧形支座的病害須進(jìn)行支座更換。

1）采用同型號(hào)弧形支座更換，弧形支座的轉(zhuǎn)角、滑動(dòng)有限且上下座板為線接觸，更換后類似病害隨著運(yùn)營(yíng)再次產(chǎn)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(yīng)力超限，不滿足要求。

3）采用柱面支座更換，支座傳力明確、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小、承載能力強(qiáng)和耐久性好，能減少后續(xù)維護(hù)?；⌒沃ё鼡Q時(shí)建議采用柱面支座。

3.3 搖軸支座

針對(duì)搖軸支座的病害，須更換支座。

1）采用同型號(hào)搖軸支座更換，更換后類似病害隨著運(yùn)營(yíng)再次產(chǎn)生，需要再次更換。

2）采用鉸軸滑板支座更換，將線接觸轉(zhuǎn)化為面接觸，降低了接觸應(yīng)力；轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，滑動(dòng)摩擦系數(shù)小，與搖軸支座的接口尺寸一致。搖軸支座更換時(shí)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(wèn)題。由于既有螺栓與梁體或墩臺(tái)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(jìn)行錨固。

1）上座板錨固。梁底到墩頂?shù)膬艨蛰^小，在支座梁端方向的梁底沒(méi)有植筋空間，為保證上座板和梁體錨固，采用U形鋼板進(jìn)行過(guò)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(jiàn)圖4。

2）下座板錨固。梁底到墩頂?shù)膬艨蛰^小，同一片梁的兩個(gè)支座之間沒(méi)有植筋操作空間，可在墩頂設(shè)置一塊長(zhǎng)鋼板進(jìn)行過(guò)渡，即鋼板錨固在墩頂、支座下座板與鋼板連接，見(jiàn)圖4。

圖4 支座錨固示意

4 結(jié)論

1）在更換平板支座和弧形支座時(shí)，建議將其更換為傳力明確、轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，建議將其更換為應(yīng)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(jìn)行過(guò)渡連接；支座下座板螺栓被剪斷，建議在梁頂錨固長(zhǎng)鋼板進(jìn)行過(guò)渡連接。