石秋君
(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)
摘 要 对既有铁路桥梁支座的使用情况进行了现场调研，总结了既有铁路桥梁板式橡胶支座、摇轴钢支座和盆式橡胶支座的常见病害，分析了病害原因，并以实际工程为例介绍了这3种支座的更换方案和推荐采用的新型支座，为支座养护维修提供参考。
关键词 铁路桥梁；既有铁路；桥梁支座；病害分析；加固改造
截至2016年底,我国铁路的营业里程已经突破12万km，各类型桥梁数量众多，总延长在 3 000 km 以上。从运营性质来看，目前我国既有铁路主要有普速铁路、煤运重载铁路、客运专线3种。根据近年来的调查情况，随着运营时间的增加，既有客货混跑线路和煤运重载铁路桥梁支撑体系逐渐显现出一些不适应运输要求的地方[1]。
我国普速铁路主要为客货混跑线路，有相当一部分线路的桥梁建造年代较早，如京沪、京广、陇海、京包、包兰等主要干线基本建于20世纪60年代之前。既有线提速之后，桥梁横向刚度不足等问题逐渐暴露出来，目前已逐步完成了梁体横向加固改造。但是，受技术水平等因素的限制，桥梁支撑体系的适应性问题一直没有解决，并给桥梁的正常运营带来一定影响。
我国煤运重载铁路目前主要有2种：①以大秦、朔黄铁路为代表的货运专线;②以大包、包兰线为代表的既有客货混跑线路。我国煤运重载铁路与普速铁路相比，运营荷载与设计荷载的比值较大，结构物的受力安全储备相对较小，运营过程中易发生各种问题。
从我国既有普速铁路和煤运重载铁路的情况来看，经过长时间的运营，桥梁支撑体系均出现了一些问题，尤其是重载的长期适应性问题更为突出。
1.1 板式橡胶支座
板式橡胶支座是一种出现时间较早且在国内外桥梁工程中得到广泛应用的支座。它具有构造简单、制造简单、成本低廉、安装方便等优点。
在某既有铁路桥梁支座的现场调研中发现板式橡胶支座容易出现橡胶老化龟裂、钢板外露、不均匀鼓凸、支座边缘脱空、剪切位移超限、支座位置串动等病害。部分支座病害如图1所示。
图1 板式橡胶支座病害
1.2 摇轴钢支座
摇轴钢支座也是出现较早的铸钢支座，适用跨度在20～32 m。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，支座只能转动不能位移；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，以实现转动和位移的功能。常见的摇轴支座病害包括支座部件损伤、锚固件及定位件失效、活动支座不活动、位移或转角超限等。部分支座病害如图2所示。
图2 摇轴钢支座病害
1.3 盆式橡胶支座
盆式橡胶支座是20世纪中叶研发的一种新型桥梁支座[2]。它利用钢盆中的橡胶板承压和转动，用滑板材料和不锈钢之间的滑动来实现位移的功能。盆式橡胶支座构造合理，摩擦因数小，承载能力大，建筑高度低，转动灵活，在桥梁工程中得到广泛使用。
常见的盆式支座病害包括钢件裂纹、变形，焊件脱焊，滑板磨损，位移、转角超限，密封圈或承压板挤出等。部分支座病害如图3所示。
图3 盆式橡胶支座病害
板式橡胶支座病害与支座产品质量及使用环境有很大的关系。橡胶的品质和种类决定了支座的使用性能，同时支座所处的气候环境和使用的疲劳次数都对支座的劣化有不利影响[3]。此外，从调查中发现支座的安装质量也是影响支座使用寿命的重要因素，由于安装不当造成支座不均匀承载、局部变形过大、局部超载等都是造成支座病害加剧甚至破坏的原因。
摇轴钢支座在使用过程中常出现的比较严重的病害主要有锚固螺栓剪断及活动支座下摆活动位移超限无法恢复[4]。随着运量和轴重的逐渐增大，支座纵向所承受的挠曲力和纵向力大幅增加，加之疲劳因素的影响，使得支座螺栓承受的剪力超过设计水平力，导致锚固螺栓被剪断；由于摇轴钢支座的下摆与下支座板之间为线接触，因此在轴重增加时产生较大的接触应力，使得下摆的弧面被压平，导致纵向位移无法恢复。
盆式橡胶支座在长期运营下滑板材料逐渐磨损，易导致支座的摩擦因数增大，活动性能受到影响[4]。在支座承受偏载时，支座盆内的橡胶承压板产生不均匀变形，严重时可从盆环内挤出，造成严重病害。
3.1 新型板式橡胶支座
板式橡胶支座在出现病害需要更换时，由于既有支座工作高度较低，所以用于改造的空间十分有限。随着既有线运营轴重的不断增大，在板式橡胶支座出现病害需要更换时，提高支座的横向刚度成为新型板式支座的首要问题。为此，对新型板式橡胶支座更换工艺的研究是非常必要的。新型板式橡胶支座的形式、外形尺寸及内部结构见图4。
图4 新型板式橡胶支座(单位：cm)
图4所示新型支座的横桥向剪切模量是顺桥向剪切模量的2倍左右，可有效减小支座的横向变形，对列车的安全运营十分有利。新型支座其他力学性能均可满足有关规范要求。
3.2 铰轴滑板支座
20世纪修建的既有铁路32 m简支梁主要使用摇轴支座。该支座传力形式为线接触，列车通过时摇轴弧面处产生较大应力，重载适应性较差，易产生病害。铰轴滑板支座将线接触转化为面接触，有效降低了接触应力，增加了支座的使用寿命，提高了重载适应性。建议重载改造时或既有支座出现病害时，将既有摇轴支座更换为铰轴滑板支座。二者结构如图5所示。
图5 摇轴支座和铰轴滑板支座结构示意
铰轴滑板支座通过铰轴的转动来适应梁体转角的需要，转动灵活，转动角度大；通过不锈钢板和平面滑板的结合形式来满足梁体对位移的需求。该支座滑动摩擦因数小，滑动位移量大，对梁体不产生附加约束，优点较为突出，在旧桥改造的项目中有广阔的应用前景。
铰轴滑板支座由上摆、铰轴、下摆、下支座板、滑板、支座锚栓、螺母、铰轴帽、防震板等部件组成。铰轴安装在上下摆的半圆槽内，通过铰轴的转动即可满足支座竖向转角的要求。在单向活动支座下摆的内侧面安装有SF-I 3层复合滑动耐磨条，与下支座板侧面不锈钢板条形成相对滑动面，满足梁体单向滑动的要求。为了提高支座的整体性，支座的上下摆之间有铰轴帽，下支座板与下摆之间设计有防震档板。该结构竖向荷载的传递路线为梁底→上摆→铰轴→下摆→下支座板→墩顶；水平荷载的传递路线为梁底→上摆→铰轴→下摆→下支座板→墩顶。梁底与支座本体采用螺栓紧固连接，操作简单，安装方便，提高了测力支座的使用性能。
2012年7月，将朔黄铁路中心里程K70+582的19跨32 m简支梁桥的第1,2孔摇轴支座更换为铰轴滑板支座，取得良好的整治效果。新型支座与原支座的高度、接口尺寸完全一致，因而可节省对原结构的改造费用。新型重载支座的价格与相同吨位的原类型支座相比大致相当。综合考虑改造费用和后续维护费用，铰轴滑板支座强化改造技术具有良好的经济性，适合于替换不适应重载运营要求的原有支座。
3.3 球型钢支座
盆式橡胶支座在板式橡胶支座的基础上于20世纪50年代研制成功，并于1975年引入我国[5]。该型支座使用过程中易存在橡胶老化、压偏甚至挤出等病害，影响桥梁结构对重载运输的适应性。球型支座避免了橡胶材料的使用，采用了国际先进的滑板材料和摩擦副系统，设计应力在盆式支座基础上有了提升，且结构传力明确，活动灵活，耐久性强，增加了支座的使用寿命，提高了重载适应性，建议重载改造时或在盆式支座出现病害时将既有线盆式橡胶支座更换为球型钢支座。二者结构如图6所示。
图6 盆式橡胶支座和球型钢支座结构示意
球型钢支座是20世纪70年代在盆式橡胶支座基础上研制成功的一种新型桥梁支座，并于1988年引入我国，随后在上海南浦公路斜拉桥上应用。球型钢支座通常由上支座板、平面滑板、球冠衬板、球面滑板、下支座板、密封装置、锚栓等部件组成。其中球冠衬板是球型钢支座的核心部件，起着承载、传力、转动的作用。
球型钢支座与盆式橡胶支座相比，克服了其材料、结构、工作原理上的诸多不足，具有以下优点[6-7]：
1)无橡胶材料，不存在橡胶质量控制和老化问题。
2)传力路线简洁明确，克服了盆式橡胶支座盆环应力集中的缺点。
3)通过平面摩擦副和球面摩擦副之间的滑动来实现支座的平面位移和转角功能，与盆式橡胶支座依靠橡胶承压板变形提供转角相比，反力更小，转动更灵活。
4)设计容许应力不受橡胶材料的限制，当滑板材料选用承载能力高、耐磨性好的新型滑动材料时，可有效减小支座尺寸，提高产品的性价比。
5)滑板材料各项性能指标受温度变化影响相比橡胶材料小，温度适应性更强，可在-50～+60 ℃条件下正常工作，在我国南方、北方等不同区域均可适用。
2012年8月23日上午朔黄线某桥进行了换梁换支座作业。换梁对象为重车线上一孔双片式预应力混凝土T梁，原梁图号为专桥2059—32 m梁，新梁图号为专桥2101—32 m梁(据原桥面宽度修改了模板宽度)。原梁支座为 2 500 kN盆式橡胶支座，图号为专桥(02)8156；新梁支座为TJQZ-3000 kN球型钢支座。
与既有类型的支座相比，新型球型钢支座传力更加明确，活动更灵活，具有更高的材料强度和容许应力、更好的耐磨性能和耐久性能，能够显著减少支座病害和后续维护费用。
本文对板式橡胶支座、摇轴钢支座和盆式橡胶支座作了简要介绍，并通过调研归纳了既有铁路桥梁支座存在的常见病害，分析了病害原因。建议在更换板式橡胶支座时，将其更换为同一型号的新型板式橡胶支座，重载改造时或既有摇轴支座出现病害时，将其更换为铰轴滑板支座，在盆式支座出现病害时将其更换为球型钢支座。
参考文献
[1]中国铁道科学研究院铁道建筑研究所.既有铁路桥梁支撑体系改造及相关设备产品的研发[R].北京：中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,2014.
[2]中华人民共和国铁道部.TB/T 2331—2013 铁路桥梁盆式橡胶支座[S].北京：中国铁道出版社，2013.
[3]张勇,高岩,庄军生.橡胶质量对板式橡胶支座性能的影响分析[J].铁道建筑，2016,56(8):43-45.
[4]中华人民共和国铁道部.TB/T 1853—2006 铁路桥梁钢支座[S].北京：中国铁道出版社，2006.
[5]中华人民共和国铁道部.TB/T 3320—2013 铁路桥梁球型支座[S].北京：中国铁道出版社，2013.
[6]宋福，石秋君，班新林，等.高速铁路简支箱梁盆式橡胶支座更换方法研究[J].铁道建筑,2014，54(7):34-37.
[7]田真，周路舟.桥梁支座病害的整治方法[J].铁道建筑，2003,43(6):18-19.
SHI Qiujun
(Railway Engineering Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)
Abstract Based on f ield investigation of existing railway bridge bearings，the common bearing defects and their causes of laminated rubber bearings，rocker steel bearings and pot rubber bearings were analyzed.Taking some actual projects as examples，bearing replacement schemes and recommended new bearings were introduced.This paper could provide reference for bridge bearing maintenance and repair.
Key words Railway bridge;Existing railway;Bridge bearings;Defect analysis;Reinforcement and reconstruction
中图分类号 U443.36
文献标识码：A
DOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2017.10.03
文章编号：1003-1995(2017)10-0012-04
收稿日期：2017-05-10；
修回日期：2017-07-23
作者简介：石秋君(1985— )，男，助理研究员，硕士。
E-mail:shiqiujun@126.com
(责任审编 李付军)
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