重载铁路桥梁支座病害分析及改造技术

孙明德 臧晓秋 曹志峰 董亮 葛凯 张国强 张志国

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081；2.中国铁路太原局集团有限公司，太原030013

重载铁路运营荷载大，列车运行密集，且近年来列车轴重增加，导致铁路桥梁和支承体系出现不同程度病害［1-2］。支座将桥梁上部结构的反力和变形可靠地传递给桥梁的下部结构，并满足桥梁变形的需要［3-4］。重载铁路桥梁支座在大轴重运营荷载作用下，其竖向、水平承载力增加，在长期运营后锈蚀严重。竖向承载力增加导致支座的弧形接触面被压平、支座无法转动或转角超限等问题；水平承载力增加导致支座销钉剪断、位移超限、螺栓剪断等问题；支座锈蚀导致支座不能转动、不能活动等问题；进而影响桥梁的伸缩或转动，严重时会危及铁路行车安全［5-7］。

经现场调研，发现重载铁路支座的平板支座、弧形支座和摇轴支座的病害严重。由于这三种支座服役年限长，运营荷载大，轴重增加后承载力安全储备小。铰轴滑板支座、盆式橡胶支座和球型支座由于服役时间短和承载力安全储备高，病害相对较少。为保证运营安全，针对病害严重的支座进行定期观测、整治或更换处理［8］。本文主要对重载铁路桥梁的平板、弧形和摇轴支座的病害原因进行分析，并提出支座更换建议方案。

1 重载铁路桥梁支座病害情况

1.1 平板支座

平板支座由平面钢板组成，其位移量有限，梁端不能完全转动，对铁路桥可用于8 m 跨度，一般结构图和常见病害见图1。根据现场调研，既有重载铁路桥梁平板支座的常见病害为：①支座锈蚀严重，支座上下座板锈死。②支座不能转动和滑动。③螺栓剪断。

图1 平板支座

1.2 弧形支座

弧形支座由上下支座板和销钉组成［5］。下支座板的顶面是弧面，上支座板的底面是平面，满足支座转动功能，上下座板通过销钉连接。固定支座的销钉孔为圆孔，支座不能滑移；活动支座的销钉孔为长圆孔，支座可在纵向做少量滑移。弧形支座一般结构图和常见病害见图2。

图2 弧形支座

根据现场调研，既有重载铁路桥梁弧形支座的常见病害为：①支座锈蚀，下座板弧形接触面被压平，支座纵向滑动不灵活、转动困难。②螺栓剪断。③支座上、下座板的销钉剪断，发生纵向错位。

1.3 摇轴支座

摇轴支座分为固定支座和活动支座。固定支座由上摆和下摆组成，上下摆分别与梁底和墩台连接，支座只能转动；活动支座由上摆、摇轴和下支座板组成，摇轴的两端均为圆曲面形，能自由转动，并由下摆转动后顶、底面的位移差来适应梁体位移的需要。摇轴支座一般结构图和常见病害见图3。

图3 摇轴支座

根据现场调研，既有重载铁路桥梁摇轴支座的常见病害为：①下摆倾斜度超标。②下摆与底板间的限位销剪断、锚固螺栓剪断等。③位移超限。

2 支座病害原因分析

既有重载铁路桥梁支座的主要病害包括支座锈蚀严重、螺栓剪断、无法转动、无法滑动等。导致上述病害出现的原因分述如下。

1）平板支座

养护不到位，造成支座锈蚀严重，影响支座的滑动和转动，支座纵向无法滑动，在梁体伸缩时支座的锚栓承受更大的水平力，进而导致螺栓剪断；由于竖向荷载大，平板支座的上下座板间的石棉瓦被挤出，导致支座转动困难。

2）弧形支座

在重载和长期运营条件下，下座板弧形接触面由于荷载过大被压平，导致支座转动困难；弧形支座下座板锚栓与钢板焊接后锚栓的抗剪强度降低，滑动支座不能滑动导致水平力增加，进而导致螺栓或销轴剪断；养护不到位，导致支座锈蚀严重，影响支座的滑动和转动。

3）摇轴支座

列车轴重增大、列车速度提升，支座下摆的弧形接触面被压平，以及支座锈蚀严重，导致支座不能转动、位移无法复位和销轴、螺栓剪断等病害。

3 支座改造技术

3.1 平板支座

重载铁路桥梁平板支座的高度一般为9 cm，上支座板通过预埋螺栓和梁体连接，下支座板通过螺栓与墩顶连接。平板支座出现病害时需要更换。

1）采用同型号平板支座更换，位移量有限、转角小，更换后易再次出现类似病害。

2）采用板式橡胶支座更换，具有构造简单、成本低等优点，高度满足平板支座要求，但横向刚度小和复杂环境下耐久性较差。

3）采用球型支座更换，可采用特殊设计的低高度球型支座进行更换，其转动灵活、承载能力高、容许支座位移大、无橡胶材料耐久性好等特点，能减少后续维护。平板支座更换时建议采用特殊设计的低高度球型支座。

3.2 弧形支座

重载铁路桥梁弧形支座的高度一般为18 ～22 cm，上支座板通过螺栓和梁体连接，下支座板与下部钢垫板通过焊接连接，钢垫板与预埋在墩顶的4 根螺栓焊接。针对弧形支座的病害须进行支座更换。

1）采用同型号弧形支座更换，弧形支座的转角、滑动有限且上下座板为线接触，更换后类似病害随着运营再次产生，需再次更换。

2）采用球型支座更换，由于弧形支座上座板螺栓间距的限制，支座球冠直径较小，滑板承压应力超限，不满足要求。

3）采用柱面支座更换，支座传力明确、转动力矩小、承载能力强和耐久性好，能减少后续维护。弧形支座更换时建议采用柱面支座。

3.3 摇轴支座

针对摇轴支座的病害，须更换支座。

1）采用同型号摇轴支座更换，更换后类似病害随着运营再次产生，需要再次更换。

2）采用铰轴滑板支座更换，将线接触转化为面接触，降低了接触应力；转动灵活，滑动摩擦系数小，与摇轴支座的接口尺寸一致。摇轴支座更换时建议采用铰轴滑板支座。

3.4 螺栓剪断

平板支座、弧形支座和摇轴支座的上下座板都存在螺栓剪断的问题。由于既有螺栓与梁体或墩台浇筑在一起，剪断后螺栓失效，不能再次使用，因此需要在墩顶、梁底或梁腹板进行锚固。

1）上座板锚固。梁底到墩顶的净空较小，在支座梁端方向的梁底没有植筋空间，为保证上座板和梁体锚固，采用U形钢板进行过渡连接，即U形钢板锚固在梁体腹板、支座上座板与U形钢板连接，见图4。

2）下座板锚固。梁底到墩顶的净空较小，同一片梁的两个支座之间没有植筋操作空间，可在墩顶设置一块长钢板进行过渡，即钢板锚固在墩顶、支座下座板与钢板连接，见图4。

图4 支座锚固示意

4 结论

1）在更换平板支座和弧形支座时，建议将其更换为传力明确、转动灵活和耐久性好的球型支座或柱面支座。

2）在更换既有摇轴支座时，建议将其更换为应力面接触的铰轴滑板支座。

3）支座上座板螺栓被剪断，建议在梁腹板锚固U型钢板进行过渡连接；支座下座板螺栓被剪断，建议在梁顶锚固长钢板进行过渡连接。