一种坡度自适应球型支座的力学性能研究

尤福贺，杜海鑫，孙 尧，冀 祥，李明泽

(1.辽宁北方橡塑机械有限公司 沈阳市 110103； 2.辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

在我国的公路桥梁建设中，桥梁球型支座和公路桥梁盆式支座，由于承载力高、质量稳定，已经使用多年。在长期的使用过程中，一直存在桥墩偏位以及衍生病害。主要原因是桥梁施工过程中，对支座安装的把控不到位，使支座的性能受限，造成桥梁病害的产生。急需一种新型支座，不仅能满足桥梁对支座的使用要求，还能解决此类问题。坡度自适应球型支座不仅能应对建成项目的桥墩偏位问题，也能在新建项目中从根本上解决公路桥梁高墩偏位的问题，保证桥梁结构的安全运行。

1 支座设计

坡度自适应球型支座在设计上做了两个方面的改进，即改变水平滑动面的位置和改变限位结构。

(1)改变水平滑动面的位置。传统球型支座水平滑动面设置在支座上钢板，支座产生位移时支座上水平钢板随着梁板位移，球冠衬板和下支座板固定在桥台上静止不动。而坡度自适应球型支座与传统球型支座相反，水平滑动面设置在支座下钢板，支座产生位移时支座下水平钢板不动，梁板带动支座上钢板和球冠衬板位移。与传统球型支座比较优点在于：传统支座固定支点不变(球冠衬板静止，沿支座轴线发生偏转)，支座产生较大位移时产生力矩，影响支座的竖向承载力和水平位移；坡度自适应球型支座球冠衬板随位移产生移动，支点是变化的，因而不产生力矩，不影响支座承载力和位移，且支座的整体高度也不会发生变化。

(2)改变限位结构。桥梁在设计时会对支座的外形尺寸进行约束，在相同的尺寸约束下，通过限位方式的改变可以获得更大尺寸的球冠衬板，支座的承载、转动等性能得到增强，主要是获得更大的转角。

该系列支座除了可满足竖向承载力外，最大转角可达0.05rad，摩擦系数不大于0.03。

坡度自适应球型支座的构造示意图见图1。支座由锚固件、下支座板、球冠衬板、上支座板、高分子材料滑板(平面和球面各一块，以下简称滑板)、不锈钢滑板、橡胶密封圈、临时连接组件及防尘罩等部件组成。

坡度自适应球型支座按其工作特性可分为固定型、单向型和多向型三种类型。单向型是通过在球冠衬板上设置导向槽，在下支座板中间设置导向键来约束支座进行单向活动。固定型是在球冠衬板上设置固定销，在下支座板中间设置定位孔来约束支座的多向活动，如图2所示。

2 力学性能研究

在坡度自适应球型支座的设计过程中，参照《桥梁支座》[1](第四版)中的第六章球面与柱面钢支座中的参数和计算方法，对坡度自适应球型支座进行了有限元应力分析，包括刚性支承下坡度自适应球型支座的应力分布、弹性支承下坡度自适应球型支座的应力分布、坡度自适应球型支座上支承混凝土应力分布。

通过坡度自适应球型支座的性能试验和有限元应力分析，表明坡度自适应球型支座的传力可靠、转动灵活。它既具备盆式支座承载能力大、容许支座位移大等特点，而且能更好地适应支座大转角的需要。

某检测机构对坡度自适应球型支座的力学性能进行研究，研究内容包括：基本力学性能、转动性能、摩擦装置的性能。试验图片见图3，试验结果如表1，试验曲线见图4、图5。

图3 力学性能试验现场照片

图4 摩擦系数曲线

图5 竖向变形曲线

根据检测机构的《坡度自适应球型支座力学性能实验研究报告》[2]，支座的力学性能、转动性能、摩擦装置的性能均满足设计预期。

3 性能优势

坡度自适应球型支座的结构设计使其拥有稳定的性能。通过改变限位方式，同规格下可拥有更大的承载力和转角。通过使用新型高分子滑板材料获得更小的摩擦系数。下面对适用于公路桥梁的三种钢支座进行横向对比(见表2)。

表1 力学性能试验结果

4 结语

坡度自适应球型支座作为传统桥梁球型支座和公路桥梁盆式支座的对标产品，拥有更小的体积、更大的转角、更好的转动性能、更简单的安装工艺、更合理的结构等优势，同时可满足直、曲线桥梁对支座的性能需求。

该产品已在省级设计院研究课题中得到应用，在辽宁省高速公路高墩纠偏应急处理项目中，使用坡度自适应球型支座对涉及的37个桥墩(共计7条高速，25座桥梁)上的原有盆式支座进行替换。项目完成后的墩柱竖直度检测过程中，也对新更换的支座进行了调查。从现场调查发现支座本身未见明显的损坏和较大的纵向滑移；支座两侧水平液位计中气泡基本处于中间位置。说明新支座应用效果较好，可以自动调节梁底坡度。通过对桥墩纠偏前后竖直度对比看出，更换新支座后，主要问题是桥墩纠偏的均出现了不同程度的复位现象，个别桥墩的复位值达到纠偏值的70%以上。

表2 支座对比表

坡度自适应球型支座不仅可以在建成项目中用来解决高墩偏位问题，也可作为升级迭代产品应用在新建项目中，避免此类病害产生。