基于根原因分析的桥梁支座优化设计

姜文英，顾海龙，杨卫锋，李恒跃，宋建平

(中船双瑞(洛阳)特种装备股份有限公司，河南 洛阳 471000)

0 引言

桥梁支座位于桥梁与桥墩之间，是传递桥梁载荷、实现桥梁伸缩变形和转动的核心“关节”构件。桥梁支座受结构设计、选材、加工制造、安装施工、环境工况等因素影响，在使用过程中可能会出现钢部件裂损、脱焊、锈蚀、滑板挤出、位移超限、转角超限、螺栓剪断、座板与梁底及支承垫石不密贴等病害型式，造成支座性能劣化甚至失效。根据Q/CR 405.3—2016铁路桥隧建筑物劣化评定第3部分：支座标准，在上述支座病害型式中，滑板挤出达到AA(极严重)劣化等级，一旦发生，支座将丧失正常滑移或转动功能，危及桥梁安全，需立即进行支座更换[1-3]。支座滑板挤出主要表现为：支座非金属滑板从镶槽中脱出，并向外滑移出支座承载区域，支座滑板挤出见图1。

支座滑板挤出会严重影响支座的功能，为解决该问题，首先需找到问题发生的根本原因，有针对性地寻找解决方法和措施。而TRIZ理论提供了一套成熟的解决问题的方法，本文尝试采用该理论去解决支座滑板挤出问题。

TRIZ理论是俄文中发明问题解决理论的缩写，由苏联专家Altshuller及其团队创建，为发现问题和解决问题提供了系统的理论和方法工具[4-6]。TRIZ理论体系中，解决发明问题的核心是解决系统冲突，而解决系统冲突的前提是发现系统冲突。发现系统冲突的方法主要有根原因分析、物质-场分析、质量功能展开、公理设计等，其中根原因分析是通过分析问题与原因之间的因果关系，确定与问题相关的系统元件，通过各元件之间的相互关系来确定系统冲突，并提出相应的解决措施[7]。目前，在工程技术领域中，根原因分析的工具主要包括因果轴分析法、矩阵分析法、5-why分析法、鱼骨图分析法及故障树分析法等，其中5-why分析法针对特征事实，通过逐层递进式的询问并解答的方式，逐步确定问题的根本原因，并提出相应的解决措施，具有简单、实用的特点。

本文应用TRIZ创新理论，针对桥梁支座滑板挤出的问题，采用5-why分析法工具进行根原因分析，找到问题产生的根本原因，指导支座创新设计，减少滑板挤出病害的发生几率，提高产品质量可靠性。

1 根原因分析

桥梁支座安装在梁体和桥墩之间，主要由上座板、中座板、下座板、平面摩擦副和球面摩擦副组成，支座结构见图2。

根据桥梁支座的安装位置、支座结构及外部环境分析，确定系统元件，建立功能模型，见图3。

根据图3所示，制品为支座；系统元件包括上座板、平面不锈钢板、平面非金属滑板、中座板、球面不锈钢板、球面非金属滑板、下座板；超系统包括桥墩和梁体。平面及球面非金属滑板镶嵌在约束坑中，与平面及球面不锈钢板形成摩擦副，两者之间在润滑条件下通过摩擦滑移实现支座的滑动或转动。外部环境对摩擦副有影响的主要是空气中的灰尘、施工遗留的杂物以及安装施工时不锈钢表面黏附的涂料或混凝土等污染物。因此，根据功能模型，确定冲突区域主要在于不锈钢板/非金属滑板/滑板约束坑之间。

本文所要解决的特征事实是滑板从约束坑中挤出，采用5-why分析法对冲突区域进行分析，通过逐层询问最终找到问题的根源。F摩擦代表不锈钢板/非金属滑板组成的摩擦副之间的摩擦阻力，F约束代表支座座板约束坑对非金属滑板的约束力，正常情况下F摩擦F约束的情况，此时滑板就会挤出。询问过程如下：

1)为什么滑板受到的摩擦力会大于滑板受到的约束力？

A1.1摩擦副之间摩擦力加大；A1.2滑板所受约束力不足。

2)为什么摩擦副之间的摩擦力会增加？为什么滑板约束力会不足？

A2.1摩擦副之间进入异物；A2.2润滑失效；A2.3滑板约束结构不合理。

3)为什么摩擦副间会进入异物？为什么润滑会失效？为什么滑板约束结构不合理？

A3.1焊缝进入摩擦副之间；A3.2不锈钢滑动面受到污染；A3.3润滑脂发生损耗；A3.4滑板采用整板镶嵌结构。

4)为什么焊缝会进入摩擦副间？为什么不锈钢滑动面会被污染？为什么润滑脂会发生损耗？为什么滑板采用整板镶嵌结构时会约束力不足？

A4.1支座滑动位移或转角超限，导致焊缝滑入摩擦副之间；A4.2不锈钢滑动面沾染混凝土、油漆、灰尘等未及时清理；A4.3润滑脂混入杂质，或在压力作用下基础油流失；A4.4非金属滑板在载荷作用下会发生变形和蠕变等现象，滑板外露部分在边缘处会发生一定变形，当局部受力过大时，整板镶嵌结构的滑板边缘处变形量会不断增大，滑板受力示意见图4。

5)为什么支座滑动位移或转角会超限？为什么不锈钢滑动面会沾染混凝土、油漆、灰尘等未及时清理？为什么润滑脂混入杂质或在压力作用下发生基础油流失后润滑性能会下降？为什么滑板局部会受力过大？

A5.1安装时消除温度位移考虑不充分，或者实际位移超出设计位移；A5.2安装时支座连接装置提前解锁或松动导致支座发生偏转，或者实际转角超出设计转角；A5.3摩擦副未设置密封圈或密封结构不合理，且维养不到位；A5.4润滑脂性能有待提高；A5.5安装时偏载会使局部竖向载荷过大，或者摩擦力增大使滑板局部受水平载荷过大，导致变形量增大。

根据上述分析，滑板从约束坑中挤出的根原因结果是：滑板所受摩擦力增大，约束力不足，最终导致滑板从变形处挤出。主要表现在以下几个方面：

1)安装时消除温度位移考虑不充分、支座发生偏转，或支座设计位移、转角小于实际需求，导致不锈钢焊缝进入摩擦副之间，摩擦力过大。

2)安装或运行时支座发生偏转导致摩擦副局部受力过大，滑板变形量增大。

3)摩擦副受到污染，润滑脂耐久性不足，摩擦力过大。

4)整板镶嵌结构在局部受力过大时滑板边缘处变形量过大，约束力不足。

2 根本解决措施

2.1 提高非金属滑板约束力

提高滑板约束力的措施主要有两条：一是提高滑板的侧面约束面积与表面积之间的比值；二是提高滑板与座板约束坑之间的黏结强度。

1)提高滑板约束面积与表面积之间的比值。

提高滑板约束面积与表面积之间的比值主要措施是改变滑板的镶嵌结构，采用分片镶嵌形式代替整板镶嵌形式，提高滑板的约束面积，进而提高约束面积与表面积之间的比值，从而提高滑板的约束力。目前在竖向承载力小于12 500 kN的支座结构中，滑板一般采用整板镶嵌的约束形式；在竖向承载力大于12 500 kN的大吨位支座结构中，滑板则采用分片镶嵌的约束形式来进一步提高约束力。综合考虑滑板承载力和约束面积比，也可在支座设计中采用整板与分片组合镶嵌的约束形式[8-9]，结构形式见图5。

以竖向承载力为50 000 kN的球型支座为例，计算不同约束形式下滑板的侧面约束面积与表面积之间的比值，如表1所示。

表1 不同约束形式下滑板的约束面积情况

从表1可以看出，整板镶嵌承压圆直径最小，支座尺寸最小，但侧面约束面积与表面积比值最低；分片镶嵌承压圆直径最大，支座尺寸偏大，但侧面约束面积与表面积比值最高，滑板约束能力最强；而整板+分片镶嵌各项数值居中，约束能力高于整板镶嵌，尺寸也小于分片镶嵌。因此，采用整板与分片组合镶嵌的约束形式时综合性能最优。

2)提高滑板与座板约束坑之间的黏结力。

在滑板黏结时，聚四氟乙烯滑板黏结面需进行钠萘处理，改性超高分子量聚乙烯滑板黏结面需进行拉毛处理，然后采用热固性的环氧类胶黏剂进行黏结，剥离黏合强度不小于5.0 kN/m。

2.2 减小摩擦副间的摩擦力

1)防止杂质进入摩擦副，减小摩擦力。

球型支座采用分部密封的双密封环的密封方式，如图6所示。在摩擦副周围应设置与非金属滑板同材质的密封圈，两者变形量相当，能够有效防止硅脂流失及外部杂质混入，从而使摩擦性能稳定不变，满足长期使用的要求。在安装过程中应注意密封环接口处理方式，避免间隙过大。

2)避免支座位移超限时不锈钢焊缝滑入摩擦副中。

支座在出厂时可根据设计提前进行预偏，便于现场安装。长联大跨连续梁桥因桥梁跨数多、联长长、施工周期长，已经合龙完成的梁体在温度、混凝土收缩徐变等因素影响下会产生纵向变形，导致桥墩活动支座的位移量大，桥梁支座所需预偏量较大[10]。为避免支座位移超限时不锈钢与座板焊缝滑入摩擦副中导致摩擦系数急剧增大，支座出厂时需根据梁体偏移情况精确计算预偏量或增设预偏结构，以满足大调偏量的需求。

3)优化润滑体系，保持摩擦系数稳定。

结合支座使用工况，可在润滑体系方面进一步优化。针对大跨度桥梁，支座摩擦副滑移量大，可考虑增加注脂结构设计，定期对润滑脂进行补充，保持较低的摩擦系数。采用性能更优的锂基润滑脂，减小环境因素影响，提高润滑的可靠性。另外，应注意定期对不锈钢板表面进行清理，减小灰尘杂质污染摩擦副的几率，每年至少1次。

2.3 安装时防止偏转，支座运行时避免局部过大偏载

由于支座安装时临时联接螺栓未锁紧或支座提前解锁，支座在上部梁体的作用下发生转动，造成支座转角超限，一方面会导致座板之间局部间隙过大，滑板易脱出约束坑；另一方面会导致球面不锈钢板焊缝可能进入摩擦副之间，使转动时摩擦系数增大。因此，在支座安装时应避免支座发生偏转，一方面要求支座临时联接螺栓在成桥前禁止松动、拆除；另一方面可通过增设临时锁定装置等措施，防止在梁体施工及安装过程中由于外力引起的支座转动。

3 支座设计及试验验证

针对支座滑板挤出问题，采用上述根原因分析得出的解决措施，完成了一种新型高承载球型支座的设计和试验研究。该支座主要结构特点包括：采用分片镶嵌+中心滑板镶嵌的约束形式，提高滑板的约束力；采用双密封环的密封方式，能够有效防止硅脂流失及外部杂质混入；选用优质润滑脂，保证润滑性能的稳定；预留补充硅脂通道，提升持久润滑能力；上、下座板间采用板栓连接结构，连接板沿位移方向开设腰形孔，使支座具备位移调整锁定功能；在上座板下底面与下座板上平面之间四角设置防倾转机构，使支座在安装时具备防倾转功能。

新型高承载支座结构如图7所示。

根据GB/T 17955—2009桥梁球型支座、TB/T 3320—2013铁路桥梁球型支座，开展新型高承载支座竖向承载力试验、摩擦系数试验、润滑脂补充试验以及吊装调平工艺试验，以验证设计可靠性，见表2。

表2 新型高承载支座试验结果

新型高承载支座各项试验结果均满足设计要求，表明该支座结构合理，具备高承载、低摩擦等特性，性能可靠性高。

4 结语

通过采用TRIZ创新理论，对桥梁支座非金属滑板挤出问题进行深入分析，找到问题产生的根本原因是滑板受到的摩擦力大于约束力，并提出了提高约束力、减小摩擦力、避免偏转等根本解决措施，可以用于指导桥梁支座在滑板选型、约束形式设计、密封结构设计、安装控制等方面进行优化设计。采用本文创新方法设计的新型高承载支座已在国内某工程应用，解决了原工程支座滑板挤出的病害。