南京长江大桥公路桥维修改造涉铁工程正桥钢桥面板支座型式研究

陆酉

摘要：南京长江大桥公路正桥的维修改造，将原有的陶粒混凝土行车道板和公路钢纵梁拆除，更换为整体钢结构正交异性板，为适应板桁间荷载传递及板桁温差作用，板桁之间设置大量拉压钢支座。本文根据工程特点，从支座性能要求出发，重点针对拉压钢支座的构造形式、材料、性能检定几个方面进行研究，以获得满足本工程需要的拉压钢支座型式。

关键词：南京长江大桥;正交异性板;抗拉钢支座;材料;性能检定

1 工程背景

南京长江大桥为我国第一座自主建造跨越长江的特大桥梁，正桥共10孔，采用（128+160×3+160×3+160×3）m连续钢桁梁结构形式，铁路在下、公路在上。大桥于1968年12月全线通车，运营近50年后，因公路桥面存在部分病害危及铁路运营安全，于2016年10月实行公路桥全封闭维修改造^[1]。

公路正桥的维修改造主要将既有陶粒混凝土行车道板和公路钢纵梁拆除，更换为整体钢结构正交异性板，在原公路横梁顶面支撑位置，设置拉压钢支座，顺桥向每8米一排;不增加公路桥恒载，不改变原公路面布置形式。

公路正桥改造后，正交异性板的设置与主桁分联长度位置保持一致，桥面伸缩缝由原50道伸缩缝改为5道大伸缩缝。在每联中部设置一排纵向限位支座，桥轴线设置一列横向限位支座，每联中部与桥轴线交叉位置设置固定限位支座，其余均为双向活动支座。

本工程拉压钢支座数量庞大、性能要求高、类型多样、维修养护难度大，针对上述特点本文从支座构造形式、材料等方面对其型式进行研究，以获得适用于本工程要求的支座。

2 支座性能要求

2.1 满足整体受力要求

公路正桥更换为整体钢桥面板后，在铁路活载作用下，支座产生拉力，因此钢支座除具备抗压功能外，还应具备抗拉功能。

2.2 适应正交异性板的变形要求

因板、桁温差，针对不同部位的支座，满足顺桥向和横桥向变形的需要。

2.3 适应正交异性板转动的要求

正交异性板支承于钢桁梁上为连续板结构体系，支座应具备转动功能。

2.4连接构造的合理性

除保障支座本身的力学性能外，其与钢桥面板、公路横梁的连接应满足传力的需要，并尽可能减少对既有结构的局部受力影响。

2.5 长期使用性能和耐久性能要求

钢支座位于公路与铁路之间，运营中的维修养护必须在铁路封锁点内进行，操作难度大、功效低，为减少后期维养工作量，降低铁路运营安全风险，钢支座在材料的耐久性和支座寿命方面应予以重点考虑。

3 支座构造形式的研究

3.1 支座结构、类型

支座主要由上支座板、耐磨板、球冠、活塞、下支座板、抗拉轴等组成。根据支座安装位置，分为固定支座，单向活动支座双向和活动支座^[2]。

固定支座上支座板与活塞采用类似高压锅盖连接形式，旋转扣紧，不易脱开，结构对称，受力均匀。

单向活动支座和双向活动支座上支座板与活塞采用抽屉连接形式。其中单向活动，支座横向限位，纵向允许活动，或者支座纵向限位，横向允许活动;双向活动支座横向预留一定间隙，横向允许小位移活动，纵向允许大位移活动。结构紧凑，安全。

3.2 支座功能特点

（1）抗拉结构：通过抗拉轴、活塞连接上、下支座板，实现150kN抗拉功能。

（2）转动结构：通过活塞、球冠、球面耐磨板实现支座的转动，转角0.01rad。

（3）水平抗力结构：通过耐磨条使上、下支座板接触，承受400kN（固定）/80kN（活动）水平载荷力^[3]。

（4）临时锁定结构：通过连接板锁定上、下支座板，调平支座，同时抵抗安装过程中产生的水平载荷^[5]。

3.3 支座结构可靠性

支座上支座板采用整体结构，不需螺栓连接，在正常使用过程中，不会因为疲劳振动造成螺栓松动问题。

活塞与球冠、活塞与下支座板接触面均为球面耐磨板，支座转动时，上下结构同心，除了耐磨板极小摩擦阻力（摩擦系数0.03），无其他阻力。支座转动顺畅，不会造成既有结构局部受力或梁体内应力。

抗拉轴与下支座板采用螺纹连接，由于存在弹性体，无法施加足够的预紧力，在受压、受拉、转动和振动时，会出现松动情况，为了防止松脱，使用骑缝螺钉，既防松，又不会破坏螺纹强度。

4 支座材料的研究

支座本体钢件采用铸钢ZG270～500^[7]，铸造性能良好，有一定的韧性和塑性，强度和硬度高，屈服强度270MPa，极限抗拉强度500MPa。用于支座中，承載力强，安全系数高。满足本地区的大气状况^[4]。

支座的竖向承压滑板及导向滑板采用改性超高分子量聚乙烯，性能优良，耐磨性能是钢材的8～9倍，耐冲击性能是聚碳酸酯的2倍，摩擦系数低、承载力大、耐化学性等。加工简单，滑板用新鲜粉料模压而成，滑板表面储硅脂坑模压成型，在硅脂润滑条件下竖向承压滑板与不锈钢板对磨时（常温条件下23±2℃）线磨耗率≤5μm/km。使用寿命长，耐 久可靠。

抗拉轴承受交变载荷，抗疲劳、抗冲击。采用高强度合金钢42CrMo，屈服强度650MPa。具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好^[6]。

支座与横梁采用大六角头钢结构连接螺栓，螺栓材质为20MnTiB，等级为10.9S级。具有良好的力学性能和工艺性能，热处理后的疲劳强度、变形量及渗碳后在弯曲负荷下的缺口敏感性均不亚于20CrMnTi，渗碳后可以降温淬火。且安装时，螺栓施加预紧力，有效防止松动^[8]。

5 支座性能的检定

支座性能检验按《铁路桥梁球型支座》TB/T3320-2013、《桥梁球型支座》GB/T17955-2009及相关标准的规定执行，包含：支座竖向承载力试验，支座摩擦系数试验，支座转动试验，支座水平力承载力试验，支座抗拉拔试验。

普通试验采用YES-5000液压式压力试验机（J003），动静态液压伺服试验系统（工作测力仪）（J090）。抗拉拔试验采用拉力试验机。

（1）竖向承载力试验：竖向变形1.17mm，≤2mm，竖向变形/支座总高度0.66%≤1.0%，竖向承载力满足要求，试验合格。

（2）摩擦系數试验：实测第二次至第五次滑动摩擦系数的平均值，作为支座的实测摩擦系数，摩擦系数0.007≤0.03，试验合格。

（3）转动试验：支座实测转动力矩，取其3次的试验平均值，转动力矩1562Nm，≤4680Nm，试验合格。

（4）水平承载力试验：水平力100.22KN，≥96KN，支座水平承载力试验，在拆除装置后，支座变形恢复。试验合格。

（5）抗拉拔试验：竖向拉力181.29KN，≥180KN。抗拉轴、上支座板、下支座板、活塞无永久变形，螺纹无损坏，试验合格。

经过试验，支座各项指标均符合要求。支座设计结构、选材合理。

6 结论与建议

6.1 结论

拉压钢支座结构设计合理，既能承受竖向压力，又能承受竖向拉力，且能适应桥梁纵向活动、横向活动和转角要求，不会对桥梁局部应力造成影响。经过试验验证，支座性能符合设计及相关标准要求。

根据支座使用工况，钢件、耐磨板、抗拉轴、连接螺栓选用合理，承载力强，安全系数高，摩擦系数低，抗疲劳、抗冲击，且有振动防松措施。

支座承受竖向压力、竖向拉力载荷，对安装空间要求高，为了使支座板与钢梁密贴，安装时使用2mm，4mm，6mm，8mm，10mm等厚度调高垫板。

6.2为了保证支座顺利安装，有以下注意事项：

（1）安装过程针对临时锁定支座旋松连接板的上螺栓和中间螺栓，使间隙达到2-3mm，即2个丝扣;

（2）安装时应在设计平衡温度下控制支座横向位移误差;

（3）安装时应控制支座纵向位移匹配;

6.3后期维养建议：

（1）工程建设完工并运营后三个月内，应及时对支座进行检查;

（2）使用一年内应再次对支座进行检查;

（3）第二年和第三年应每年定期对支座检查一次;

（4）三年后，支座基本处于稳定工作状态，以后可根据实际情况进行检查。

参考文献

[1] 中铁大桥勘测设计院集团有限公司.南京长江大桥公路桥维修改造工程施工图[Z].2016.11.

[2] 中华人民共和国行业标准.铁路桥梁球型支座（TB/T 3320—2013）.北京：中国铁道出版社，2013.

[3] 中华人民共和国行业标准.桥梁球型支座（GB/T17955—2009）.北京：中国标准出版社，2009.

[4] 中华人民共和国行业标准.铁路桥梁钢支座（TB/T1853-2006）.北京：中国铁道出版社，2006.

[5] 中华人民共和国行业标准.优质碳素结构钢（GB/T699-1999）.北京：中国标准出版社，1999.

[6] 中华人民共和国行业标准.合金结构钢（GB/T 3077-2015）.北京：中国标准出版社，2015.

[7] 中华人民共和国行业标准.一般工程用铸造碳钢件（GB/T 11352-2009）.北京：中国标准出版社，2009.

[8] 中华人民共和国行业标准.钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件（GBT 1231-2006）.北京：中国标准出版社，2006.