铁路常用跨度简支T梁SQMZ型双曲面支座的设计研究

任 伟，宋顺忱

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津 300142)

1 概述

近年来，随着桥梁建设的不断发展，铁路桥梁中出现了大量的双线及以上的宽桥，这些横向较宽的桥梁需要支座在顺桥向灵活转动的同时，横桥向也需要有一定的转动能力，以保证桥梁梁端横向挠曲时不受多余约束，从而改善桥梁梁部及支座的受力条件，提高支座的耐久性、减少使用病害。现有的球形支座具有万向转动功能，各向转动性能一样，但一般桥梁横桥向转动角度比顺桥向转动角度要小，且不需要过于灵活，即横向能够提供转动，但要有一定的阻力。

已经建成的秦沈客运专线比较多地采用了分片式T梁，在梁部架设完成后进行梁端隔板横向预应力张拉时，出现了两侧边梁板式橡胶支座随梁翘起、支座一侧脱空的现象，虽经过砂浆调高，但运营后出现支座一侧、甚至一角偏压的情况，使支座受力极为不利，这势必影响支座的使用寿命。若采用具有双向转动功能的支座，且支座发生微小转动后不影响支座竖向承载时的压应力分布，则能够有效避免这种不利情况的发生。

SQMZ型双曲面支座充分吸取了球形支座、圆柱面支座设计、研究成果和使用经验，它是在球形支座的基础上，将球冠衬板在顺桥向、横桥向分别设计为不同曲率半径的曲面，从而适应实际桥梁使用中2个方向不同的转动要求。

2 SQMZ支座构造、工作原理及特点

2.1 支座构造

双曲面支座由上支座板、下支座板、位于上支座板与下支座板之间的双曲面衬板、位于上支座板与双曲面衬板之间的不锈钢板和平面聚四氟乙烯板(组成滑动摩擦副)、镶嵌在下支座板双曲面上的曲面聚四氟乙烯板(与双曲面衬板组成转动摩擦副)、上下支座板的连接板及连接螺栓、支座锚栓、支座围板等组成，如图1所示。按照支座功能分为固定支座、横向活动支座、纵向活动支座、双向活动支座共4种支座形式。

图1 双曲面支座结构

2.2 支座工作原理

双曲面支座的工作原理与球形支座基本相同。活动支座的滑动功能由焊接于上支座板下表面的不锈钢板和镶嵌于双曲面衬板上平面的聚四氟乙烯板组成的滑动面来实现;单向活动支座在其非活动方向、固定支座纵横向限位由上支座板的导向槽实现。

双曲面支座的转动功能由双曲面衬板与镶嵌在下支座板上的曲面聚四氟乙烯板之间的相对滑动来实现。当双曲面支座的转动中心与梁部结构的转动中心重合时，只需要双曲面衬板与球面四氟板之间相对滑动就可以实现支座转动;但当双曲面支座的转动中心与梁部结构的转动中心不重合时，支座的转动就要受到梁部的约束，此时平面聚四氟乙烯板与不锈钢板之间产生相对滑动，从而释放梁部约束，实现支座转动。

双曲面支座转动力矩的大小与双曲面曲率半径和平面摩擦阻力有关，静力平衡关系如图2所示。

图2 双曲面支座球冠衬板静力平衡关系

对双曲面曲率中心力的平衡条件为

且

设

则

式中:τe、τk分别为平面和曲面的摩擦应力;μe、μk分别为平面和双曲面的摩擦系数;V为支座的竖向反力;R为顺桥向或横桥向转动半径;h为双曲面冠高。

从上式可以看出，双曲面支座转动时的偏心矩与支座的摩擦系数μ和转动曲率半径R有关。

2.3 支座特点

(1)双曲面支座具有双向转动功能，纵、横向采用不同的曲率半径，从而具有不同的转动能力，因此，适用于曲线桥和宽桥;

(2)双曲面支座在纵向、横向发生转动后并不影响其竖向受力，对客运专线T梁或普通铁路T梁梁体偏斜的适应性强;

(3)双曲面支座的转动力矩小，可设计成要求大转角的支座;

(4)双曲面支座为钢支座，不存在橡胶支座中橡胶变硬或老化等对支座转动性能及耐久性的影响，特别适用于低温地区;

(5)与球形支座一样，双曲面支座通过曲面传递竖向力，因此作用在支承垫石上的反力比较均匀;

(6)双曲面支座传递水平力，传力途径明确、可靠。

3 SQMZ型双曲面支座设计

3.1 主要材料

支座主体材料采用ZG270-500或Q345，镜面不锈钢、聚四氟乙烯板、SF-Ⅰ复合板。

3.2 主要设计参数

(1)铁路常用跨度的T梁为12～32 m普通高度预应力混凝土简支梁，支座竖向承载力分为:1 500、2 000、2 500 kN和3 000 kN。

(2)设计转角:顺桥向设计转角为0.02 rad;横桥向设计转角为0.006 rad。

(3)支座可承受的水平力(主力):固定支座、纵向活动支座横桥向、横向活动支座顺桥向的设计水平力为支座竖向设计承载力的15%～40%;多向活动支座各向、纵向活动支座顺桥向及横向活动支座横桥向的设计水平力为支座竖向设计承载力的5%。

(4)设计位移:多向活动支座、纵向活动支座顺桥向位移:±30 mm;多向活动支座、横向活动支座横桥向位移:±10 mm。

当承载能力和位移量超出使用范围时，根据承载力和所需位移量的大小可另行设计。

3.3 主要结构检算

对支座的各个部件进行了全面检算，包括:支座平面、球面四氟滑板的压应力，纵横向活动支座导向滑板压应力，锚栓剪应力，纵横向活动支座侧向挡块弯剪组合应力，固定支座上支座板限位环应力，梁、墩台局部压应力等，并根据检算结果对支座尺寸进行了反复设计优化。3 000 kN支座结构主要检算结果见表1。

3.4 支座有限元分析

为了确切掌握双曲面支座在运营状态下的应力分布状态，采用ANSYS程序对该系列支座进行了有限元局部应力分析。双曲面支座有限元分析模型如图3所示。模型中在上支座板顶面施加均布力，在双曲面支座下支座板底面施加固定约束，在双曲面支座中的不锈钢板、中衬板和下支座板与夹在其间的聚四氟乙烯板间建立接触面，通过非线性分析，以模拟它们之间的相互作用和力的传递过程。

表1 3 000 kN支座主要检算结果 MPa

材料参数:钢材取E=210 GPa，μ=0.3;聚四氟乙烯板取E=1 200 MPa，μ=0.4;钢与钢之间的摩擦系数取0.2;钢与聚四氟乙烯板之间的摩擦系数取0.03。计算结果见表2。

图3 双曲面支座有限元分析模型

表2 3 000 kN支座运营状态下的有限元分析结果

有限元非线性分析表明，支座钢结构部分应力水平不高、支座受力均匀，满足设计要求;平面四氟板、曲面四氟板，与线弹性设计分析结果相比，除个别区域应力水平稍高外，总体上四氟板的应力分布是均匀的。

4 支座试验情况

为了解支座的变形和支座的转动、力学特性，对支座进行了试验。

(1)整体支座竖向承载力试验:垂直荷载作用下，荷载-支座竖向压缩变形曲线的测试。

由图4和图5可以看出，在垂直压力 P(最大4 500 kN)作用下，双曲面支座平均竖向变形最大在0.697～0.727 mm变化，平均0.709 mm，是支座高度的0.53%，小于《球形支座技术条件》(GB/T17955—2000)标准规定的1%限值。试验后，拆开支座检查，未发现任何损坏，说明该支座具有良好的竖向承载能力。

图4 3次试验上支座板平均竖向压缩变形－荷载关系

图5 双曲面支座平均竖向压缩变形－荷载关系

(2)顺桥向/横桥向转动试验:在垂直荷载3 000 kN作用下，测量支座发生纵向/横桥向转动瞬间需要的转动力矩。试验结果见表3、表4。

表3 纵向转动性能测量

表4 横向转动试验性能测量

由表3、表4看出，纵向/横向最大转动力矩均满足《球形支座技术条件》中规定的38.7 kN·m/81.0 kN·m限值要求。

支座试验结果表明，各项试验满足相关规范、标准要求，支座具有良好的竖向承载能力和纵向灵活转动性能。

5 结语

SQMZ型双曲面支座是在吸收以往钢支座设计、使用经验的基础上，针对目前桥梁支座使用中的问题及实际使用要求进行有针对性的解决后提出的，具有结构受力合理、使用功能完善、耐久性好，以及维护工作量小且便于养护和更换等优点，可满足于客运专线、普通铁路、轨道交通桥梁中的预应力混凝土箱梁、T梁、结合梁及钢梁等各种梁型的使用要求。

SQMZ型双曲面支座于2005年9月通过了铁道部专家评审，并于2006年发布使用。2007年9月，SQMZ型双曲面支座根据《客货共线铁路常用跨度简支T梁支座安装图》(通桥(2007)8160)进行了重新修编，安装接口完全符合通桥(2007)8160，已经在哈大客运专线、太中银铁路等多条铁路桥梁工程中应用，解决了低温严寒地区盆式橡胶支座易老化问题，具有广泛的推广应用前景。

［1]庄军生.桥梁支座［M].北京;中国铁道出版社，2000.

［2]铁科技基［2006]45号，SQMZ型双曲面钢支座暂行技术条件［S].

［3]TB10002.1—2005，铁路桥涵设计基本规范［S].

［4]TB10002.2—2005，铁路桥梁钢结构设计规范［S].

［5]TB10002.3—2005，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S].

［6]GB 50111—2006，铁路工程抗震设计规范［S].

［7]TB/T 1853—2006，铁路桥梁钢支座［S].

［8]GB/T 17955—2000，球形支座技术条件［S].

［9]TB/T 1527—2004，铁路钢桥保护涂装［S].

［10]铁建设函［2005]285号，新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定［S].