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球型钢支座的设计研究与思考

摘 要： 球面钢支座具有承载力大、转动灵活、角度大、无橡胶老化等优点。它不仅可以将梁的荷载均匀地传递到底座上，同时通过旋转球面摩擦副和平移平面摩擦副来完成梁的旋转和平移。随着设计理念的更新和新材料的应用，球面支座的结构按功能要求进行了优化。目前，钢球支座在公路桥梁中发挥着越来越重要的作用，铁路和轻轨由于其良好的性能和经济效益，对钢球支座的设计提出了更高、更详细的要求。
关键词：桥梁支座；球型钢支座；设计研究；结构优化；
前 言：球型钢支座具有结构先进性能稳定、维修方便、维修量小的特点。通过结构优化和科学选材，球面钢支座能更好地适应既有铁路简支梁的安装界面、梁端角和线路坡度，实现与既有桥梁支座的互换。
一、球型钢支座的概述
球型钢支座钢球支座是20世纪70年代在盆式橡胶支座基础上发展起来的一种新型桥梁支座。经过多年的发展，其设计理论、施工技术和施工工艺得到了广泛的应用，其生产和检测技术也越来越成熟，并已广泛应用于国外公路和铁路桥梁。其优点是：① 支座部分没有橡胶材料；不存在橡胶质量难以控制、易老化的问题；② 传力路径简单清晰，无应力集中；③ 平面摩擦副和球面摩擦副之间的滑动提供支架的平面位移和旋转角度，④ 滑板材料是一种承载力高、耐磨性好的新型滑板材料。⑤ 新型滑板材料的性能指标受环境温度变化影响小，温度适应性好，能在-50℃～+60℃范围内正常工作适用于华北、华南不同地区。2010年前，中国工程师在环保要求高、跨度大、重要性高的桥梁工程中，以及跨江跨海的桥梁梁中，使用了更多的球面钢支座，根据普通大跨度铁路简支梁的安装界面、梁端角和线路坡度，研究了球面钢支座的适应性，实践证明球面钢支座能很好地满足铁路简支梁桥的使用要求，在中国铁路建设中发挥着越来越重要的作用。
二、球型钢支座的设计与细部构造
1.改进滑动材料。选择钢球支座摩擦副决定了支座的整体性能，因此摩擦副的设计已成为支座质量控制的关键要素。随着滑动材料的发展，修改后的超高分子量聚乙烯板材的支座应力目前可能达到60 MPa，从而对支座尺寸的减小产生重大影响。表1显示了不同许用力下具有不同材料的平板直径的最小尺寸比较。
表1不同材料平面板材最小直径尺寸对比mm

从表1可以看出，改性UHMWPE板的应用提高了支座滑板材料的使用应力，可以有效减小支座的结构尺寸。磨损方面，常温硅脂润滑下改性UHMWPE板与不锈钢板的摩擦系数计算如下:μ=1.6/(15+σm)，其中σm为改性UHMWPE板的平均压应力。相同条件下PTFE滑板的摩擦系数表达式为μ=1.2/(10+σm)，其中σm为改性UHMWPE板的平均压应力。
表2改性超高分子量与聚四氟乙烯摩擦系数对比

从表2可以看出，改性UHMWPE滑板的摩擦系数略高于聚四氟乙烯板，但聚四氟乙烯板的使用应力为30兆帕，μ=0.030，而改性UHMWPE滑板的摩擦系数为45 ~ 60兆帕，μ = 0.021 ~ 0.027。因此，在实际条件下，改性UHMWPE板的摩擦系数低于聚四氟乙烯滑板。目前考虑到墩顶垫石受局部压力和整体式墩身尺寸不宜过大的要求，采用改性超高分子量板作为摩擦材料时，许用压应力多为45 MPa。
2. 导杆的使用与横向摩擦副的改进。由于材料的改进，横向摩擦副采用不锈钢板和超高分子量板，即采用超高分子量板代替SF-IB板，有效降低了挡板高度。至于旋转装置，导向环适用于需要大水平旋转的曲线桥或大跨度桥梁结构。一般水平旋转小的时候，可以用导杆结构代替导向环，如图1所示。

图1两种导向结构形式
导向条的一侧采用弧面与下座板接触实现转动，另一侧镶嵌超高分子量板与上座板挡板上的不锈钢板形成摩擦副实现滑动。从结构上看，导向条的采用可以有效改善旋转时的受力特性，使侧向超高分子量板材与不锈钢板材面接触。此外，与导向环结构相比，有效减小了支架的尺寸，节约了钢材，降低了制造成本。
三、钢支座结构的选型
根据钢制球面支座的水平位移特性，可分为固定支座、单向移动支座和多向移动支座。各种支座均能承受垂直载荷和旋转，固定支座能承受各个方向的水平载荷，无水平位移；单向移动支座能承受极限方向的水平载荷，适应非极限方向的水平位移；多向移动支座能适应全方位的水平位移。
1.固定支座。固定球面钢支撑结构有两种：滑动面固定支撑和限位环固定支撑。滑动面固定支架由凸球面钢板组成，滑动摩擦副由不锈钢球面板和滑动球面板组成。滑动面的固定支承受凹球面和凸球面的限制，梁的旋转角度由滑动摩擦副的相对滑动来调节。滑动面上固定支架的摩擦面不仅承受垂直载荷，还承受垂直载荷，该载荷对球形滑板产生不均匀的压应力，导致滑板局部应力增大，变形不均匀，这种结构不适用于铁路简支梁桥的钢制固定球支座。止动环固定支座由上支承板（不锈钢平板）、滑动平板、球形冠衬（不锈钢平板）、球形滑板和下支承板组成。整个支撑板由两对摩擦副组成：一对由不锈钢板和滑板组成的滑动摩擦副，一对由滑动球板和不锈钢球板组成的旋转摩擦副，固定支架通过上支撑板的极限环承载和传递水平荷载，平面和球面滑板只承载和传递垂直荷载，滑板受力均匀，旋转摩擦副能适应梁的旋转角度，平面摩擦副能调整上下支撑板之间的间隙，避免卡阻。结构构件受力清晰，传力可靠，从而有效改善滑板受力状态，提高承载产品的整体耐久性，更适合铁路简支梁桥的使用要求。
2. 单向可拆卸支架。单向活动钢球支座有两种结构型式：中导式和侧导式。中间导向单向活动支架穿过结构将平板滑板和不锈钢平板分为两部分，导致材料完整性差，增加了加工工艺，加工方便，凸部通常通过螺栓或销与球面衬板连接，承载能力和螺栓或销的数量对水平传力能力有很大影响。同时，由于沟槽结构和传力要求，支架整体高度相对增加，成本增加，经济性低，铁路简支梁桥单向移动球面钢支座不适合中间导轨结构。横向导轨的单向移动支座通过上支撑板两侧的全止动块，将平滑板与不锈钢平板集成在结构中，工艺简单，安装方便。横向挡块和上支撑板之间没有焊缝、螺栓和销。整体性好，传力可靠，同时支架整体高度低，重量轻，经济性好，更适合铁路简支梁桥的使用要求。铁路简支梁桥钢球支座应采用由上支承板、平面不锈钢板、平面滑板、，球形不锈钢板和球形衬板。球形滑板、下支撑板、密封装置等部件可提高球形钢支座的可靠性、安全性、经济性和耐久性，为线路在桥梁上的长期正常运营提供技术支持。
四、关于设计的思考与探讨
目前，我国公路桥梁主要采用钢球支座，铁路桥梁主要采用盆式橡胶支座。因此，规范的使用还存在一些模糊性，在计算方面，除了《钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁球面支座设计规范》、《铁路桥涵设计规范》等国家规范的要求外，上支承板的变形，还应根据欧洲标准EN检查上下支撑板的厚度和横向摩擦材料的形状系数。本规范仅给出了摩擦材料系数在常温下为0.03，在低温下为0.05的要求，欧洲标准中未规定不同材料在不同温度下的具体计算公式。因此，在计算磨损时，考虑使用寿命的计算数据是不准确的。硅脂作为支座润滑剂，对支座的摩擦性能和耐久性有重要影响，但球面支座应使用国家标准Hg/T2502要求的硅油5201-2，现行欧洲标准规定了支座硅脂的性能要求，这更符合支座的性能和摩擦副的材料要求。
总之。球型钢支座由于其优良的旋转性能，在许多工程中得到越来越多的应用，特别是在寒冷的沿海地区，橡胶容易老化，球型钢支座具有许多不可替代的优点，促进了我国铁路球型钢支座的改进和发展。
参考文献：
［1］刘芳萍，桥梁支座.2019.
［2］王浩宇，浅谈球型钢支座的设计研究与思考.2020.

-全文完-