GTQZ型可调节高度的钢支座研究

2018-06-27张斌

城市道桥与防洪 2018年6期

张斌

（上海城建市政工程（集团）有限公司，上海市 200065）

1 概述

现浇混凝土桥尽管具有整体性好、空间造型自由等优点，与预制装配式混凝土桥结构相比却存在诸多弊端。主要表现在以下方面：施工周期长、易堵塞交通、施工质量难以保证、劳动力成本高、资源浪费大、环境污染重、施工安全性差等方面。另外，我国近年来也在大力倡导钢桥，而钢桥更宜采用装配化施工。装配式桥梁是今后一段时期我国的桥梁的发展方向。

装配化桥梁固然有它的优势，同时也有它的特殊之处。做为桥梁的配套构件，应当要对现有的产品做出改变以适应它的特点。

支座设置于梁与墩（垫石）之间。梁底标高与垫石顶面标高存在施工误差。针对该误差，如果是现浇梁，则一般将误差转移到支座顶面，用现浇混凝土调整。如果是预制梁现浇墩，则可将误差转移到支座底面，压力灌注环氧砂浆或高强混凝土调整。对于全装配式桥梁，不太方便在此阶段做混凝土灌浆施工，因而需要另寻途径。本研究内容“可调节高度的钢支座”，即是为解决此问题。

以前也有对支座调高的市场需求。例如针对基础沉降可能引起支座脱空现象，需要支座高度可调进行补偿，一般多为上升调整。很多厂家进行过针对性设计，如采用增加薄钢板方式、斜面调整方式等。也有采用螺纹调节方式，甚至还有采用压浆的方式。

现有的螺纹调节方案，要求螺纹既用来调节支座高度，又要求螺纹做为最终传力构造存在，因此螺纹须做大做强，甚至普通的三角形螺纹完全满足不了荷载要求，必须采用梯形螺纹才能满足要求。这种方案增加了支座的体积同时也提升了支座的加工难度。

另外，现有的单纯采用压浆的方式进行支座调高并同时传递荷载，对灌注系统的密封性能提出了过高的要求，使支座的制造难度大大提升。

2 设计依据

（1）GB/T 17955，球型支座技术条件；

（2）JT/T 391，公路桥梁盆式橡胶支座；

（3）GB/T 699，优质碳素结构钢技术条件；

（4）GB/T 3280，不锈钢冷轧钢板；

（5）GJB 3026，聚四氟乙烯大型板材规范；

（6）GB/T3077，合金结构钢；

（7）JB/T 6402，大型低合金钢铸件；

（8）HG/T 2502，5201 硅脂。

3 支座基本结构

支座基本结构见图1、图2。

图1 支座外形轮廓图

图2 支座半剖结构图

4 支座功能及特点

4.1 支座的基本功能

4.1.1 支座的滑移功能

支座的滑移由滑动副完成，包括焊接固定在支座顶板上的镜面不锈钢板与镶嵌在球冠衬板上的平面耐磨滑板相互作用完成。为了降低滑动摩擦阻力，在平面耐磨滑板上设置储脂坑，储脂坑内预先储有5201硅脂油。

4.1.2 支座的转动功能

支座的转动由转动副完成，包括球冠衬板的球形面（镀铬）与镶嵌在凹面板上的球面耐磨滑板相互作用完成。为了降低转动摩擦阻力，在球面耐磨滑板上设置储脂坑，储脂坑内预先储有5201硅脂油。

4.1.3 支座的承载及传递荷载功能

桥梁的竖向荷载从上至下分别通过支座顶板，镜面不锈钢板，平面耐磨滑板，球冠衬板，球面耐磨滑板，凹面板，高强快凝浆料，底盆，最后传递给垫石及墩台。由于各构件中相对抗压性能较弱的是平面及球面耐磨滑板，因此支座的承载能力大小主要取决于平面及球面耐磨滑板的投影面积大小。

4.2 支座的特殊功能

本研究内容是基于普通球型支座的基础上构造的一种新型支座，其基本功能和球型支座是一致的，特殊之处在于支座的高度可实现无极调整。根据现场需要，设计调整范围±10 mm。

5 支座调高及传力方案设计

5.1 调高方案设计

在凹面衬板与底盆相对位置设计螺纹副，螺纹副的作用是用来实现支座的无极调高（见图3）。支座出厂时，螺纹副应旋合至中间位置。当需要调整支座高度，可以顺时针或逆时针旋转实现支座高度的上升或者下降。

另外，针对单向活动型支座和固定性支座，螺纹副的旋合长度设计不但要考虑调高到极限时的长度，同时也需要考虑支座水平方向的传力。即旋合到极限位置时，h不能为0。

图3 螺纹副图

5.2 传力方案设计

当螺纹旋合到设计位置后，凹面衬板底面与底盆内顶面可能形成一个空腔。当存在空腔时，则支座上部传递下来的荷载将通过螺纹传递。如果螺纹的强度不够，螺纹破坏，凹面衬板及以上部分则会下落，造成支座的高度降低，影响支座的正常使用。

在此，有两种设计方案：方案一是增加螺纹强度，达到足够承担上部荷载的能力，即螺纹的承载力大于或等于支座的设计荷载；方案二是对此空腔填塞，让凹面衬板传递下来的力不通过螺纹传递，而是经过填塞物质传递给底盆，降低对螺纹强度的要求。

针对方案一，论文作者以设计竖向荷载3 000 kN型支座为例进行了设计，结果如下：

根据抗剪理论。螺纹副直径360 mm，螺纹副长度至少为76 mm，除去一些其它设计因素，支座的设计高度比采用非承载螺纹高出近70 mm，支座整体重量则增加约77 kg，支座成本增加约1 900元。

针对方案二，又有两种方法。一种为填塞薄钢板。但无论多薄的钢板，均无法达到无极调高的要求，因此需要摒弃。另一种为灌注高强快凝浆料。这是一种可以无限制填满空腔的方案。

经过对竖向荷载3 000 kN型支座为例进行了设计，结果如下：

空腔的平均高度为10 mm（设计为0～20 mm），底盆的内径360 mm，需要浆料约4kg，成本约100元。加上现场施工人员的工资，不会超过150元。

通过比较，方案二比方案一制造成本降低许多，因此成为本研究的最终选择方案。

从表1中可以看出，该材料在1 d后抗压强度即可达到38 MPa，28 d后可达90 MPa，远超盆式橡胶支座的橡胶板承压强度25 MPa，承压能力达到甚至超过普通盆式橡胶支座是完全没有问题的。

表1 本研究采用的灌浆料（CGM-T800）力学性能表

另外，从表1中也可以看出，该浆料在灌注固化后，是膨胀的，因此不需要考虑材料收缩引起支座内部产生间隙的问题。

6 支座试验研究

6.1 支座调高试验

6.1.1 试验准备

试验模型：GTQZ3.0DX型调高支座1座（含锚固螺栓）；CGM-T800混合料5 kg。

试验设备：10MN压剪试验机1台；SJB-D60手动加油泵1台；直径Φ16长500 mm工具棒（圆钢）1个；带螺纹孔T型块8件，电子秤1台。

6.1.2 试验步骤

（1）将支座置于10 MN压剪试验机工作台上，中心对正。

（2）逐渐闭合试验机上、下板，直至支座顶板距离试验机上板面10 mm处停止闭合，见图4。

图4 闭合试验机上、下板

（3）用螺栓分别将支座顶板、底板与试验机上、下板连接起来。

（4）用工具棒插入支座中部旋转孔，单人单手转动支座，感知转动阻力。

（5）转动数圈后，测量支座顶板与试验机上板间隙是否变化（初始值为10 mm）。间隙变小，支座高度增加；间隙增大，支座高度降低。

（6）支座无论顺时针还是逆时针旋转，待不能继续转动时，测量支座最终调整范围。

（7）将支座旋转至最高位置（上升10 mm）后，用手动加油泵从支座灌浆孔泵入CGM-T800混合料，待浆料从溢浆口溢出时停止泵入，拧紧灌浆孔和溢浆孔堵头。

（8）用电子秤秤量泵入浆料重量，并与计算值比较。

6.1.3 试验结果

针对步骤（4），可根据支座自身重量N，螺纹中径d2，螺纹升角λ，摩擦角fv，工具棒长度l等计算需要施加力F。计算公

单人单手，对于GTQZ3.0DX型支座，需施加50 N左右的力。这对一个成年人来说，是很轻松的。即使对于GTQZ10.0DX型支座，需施加力也不会超过150 N。对于更大吨位的支座，可采用加长工具棒，或增加工具棒数量由多人共同作用的办法完成调高过程。

针对步骤（6），经测量后，如间隙可在±10 mm内调整，即说明支座调高量设计是正确的。

针对步骤（8），经测量后，如果泵入实际重量与理论计算值吻合，说明泵入的灌浆料密实。

6.2 支座承载力试验

6.2.1 试验准备

试验模型：GTQZ3.0DX型调高支座1座（已做完调高试验并灌浆1 d后）。

试验设备：10 MN压剪试验机1台；百分表4件。

6.2.2 试验步骤

（1）以支座竖向设计承载力3 000 kN为预压载荷，对支座预压3次；卸压到15 kN后，而再加载力，完成循环过程。

（2）在支座顶、底板间对称安装4只百分表，测支座竖向压缩变形；在底盆盆环上口相互垂直的直径方向安装4只千分表，测支座盆环径向变形。

（3）以支座竖向设计承载力1.5倍即4 500 kN为检验载荷，并将其分为10级，逐级对支座加载。初始压力作为第1级，在竖向设计承载力下，加读1级变形；共计11级。加载至每级载荷时，稳压2 min，分别读取百分表和千分表数据。加载至检验载荷时稳压3 min，卸载至初始压力，记录残余变形。以上过程重复3个循环。

6.2.3 试验结果

（1）竖向压缩变形取每级加载4只百分表的算术平均值，作为该次该级加载的测试结果。

（2）盆环径向变形取每级加载同一直径方向的两只千分表实测结果之和作为该直径方向的变形；两个直径方向变形的平均值，作为该次该级加载的测试结果。

（3）支座在竖向设计承载力作用下，竖向压缩变形、盆环径向变形参照JT/T 391《公路桥梁盆式橡胶支座》标准规定值。