支座摩阻力对五孔连续钢桁梁上部结构的影响

陈朝辉 郑为伟 颜亮亮

中国铁路上海局集团有限公司工务部，上海 200071

支座是将桥梁上部结构承受的荷载传递到下部结构并具有适应桥跨变位功能的重要结构，对整个桥梁结构具有重要的作用。在桥梁设计和计算中，一般不考虑支座摩阻力对上部结构的影响，然而支座摩擦阻力客观存在，现行桥涵设计规范均给出了支座摩阻力系数的推荐参考值：对于连续结构桥墩及基础，计算恒载作用下支座摩擦阻力作用时，橡胶支座、平板支座及弧形支座摩阻系数为0.1~0.2，辊轴（摇轴）支座摩阻系数为0.05［1］；滚动支座或摆动支座摩阻系数为0.05［2］。规范对桥梁下部结构受力计算进行了规定，然而对上部结构的内力和变形未涉及。由于作用力与反作用力的关系，实际桥梁结构中支座摩擦阻力对上部结构必将产生影响，进而对大跨度桥梁-轨道系统的伸缩附加力和断轨附加力有较大影响［3］。同时，梁体会产生轴力和初始偏心弯距，在超静定结构中还会引起二次内力［4-5］。支座摩阻力对混凝土连续梁上部结构产生的应力有可能达到恒载应力的5%以上，因此完全忽略支座摩阻力是不安全的［6］。

实际桥梁中支座摩擦阻力和养护条件密切相关，如钢支座活动部件制造工艺、润滑作用、润滑油有无老化、灰尘有无积聚等。若养护部门对支座的养护不够重视，支座摩阻系数增大，甚至会超出设计值或参考值，活动性能也将大大降低。特别是长大多跨连续结构，支座摩阻力对上部结构受力产生很大的影响，而桥梁设计时未考虑。国内关于支座摩阻力对钢桁梁桥上部结构力学行为的影响鲜有论述。

本文对既有铁路五孔连续钢桁梁进行静动载试验，结合试验值和理论计算值分析支座摩擦阻力对桥梁上部结构受力的影响。

1 工程概况

既有铁路一座下承式铆焊连续钢桁梁于1975 年建成，跨径组合为5×80 m（图1），主桁为平弦三角形体系，主桁中心距为10 m，桁高12.8 m，节间长度8 m，杆件宽度720 mm，弦杆高760 mm，杆件均为H 形截面。桥面系纵横梁在顶部通过鱼形板进行连接。设计活载为中-22 级，主桁材料为16 锰低合金钢，支座为辊轴支座。该桥主要特点是固定支座位于端部的0#墩。外观检查发现仅5#墩支座状态稍差外，其他辊轴活动支座保养状态良好。

图1 五孔连续钢桁梁立面（单位：m）

2 理论计算

利用MIDAS 软件建立连续钢桁梁有限元模型，主桁杆件、纵横梁、上下平联、桥门架、横向联结系、制动撑架等均采用梁单元模拟，桥墩承台处按固结处理。在恒载及设计活载作用下，理论模型计算得到的主桁杆件内力和跨中挠度均与设计值吻合良好，误差不超过5%。设计计算值不考虑纵横梁及上下平联的共同作用，故认为该有限元模型计算精度满足要求。

由于支座摩阻系数与温度、初始位置、加载速度和方向等多种因素相关，受力机理较为复杂。本文将辊轴活动支座的摩阻力简化为在支座转动中心施加一个恒定的轴力，支座转动中心与下弦中线连接采用刚臂单元，模拟试验荷载作用下摩阻力对钢桁梁上部结构的影响。试验表明，滚动滑移支座摩阻系数通常较小［5］，一般为1%~5%，常温下多为3%。该桥1#—4#墩支座处于正常状态，因此，假设其摩阻系数相同，分别取3%和5%作为通常值和规范参考值［1-2］；5#墩支座位于梁端，状态相对稍差，分别取5%和7%作为通常值和规范参考值。静载试验荷载采用上下行2 组：1×ND5机车+5×KZ70（满载，长度77.091 m），1#—5#墩处支座摩阻力F=μ×（W恒反+W活反），μ为支座摩阻系数，W恒反为恒载反力，W活反为第1 孔满载反力。计算结果见表1。表中负值表示支座受拉。

表1 1#—5#墩处支座反力和摩阻力 kN

第1 孔杆件轴力和跨中挠度理论计算值见表2，F0.03引起的杆件附加弯曲应力和轴力见图2。表中负值表示杆件受压或产生向上位移。

表2 第1孔杆件轴力和跨中挠度理论计算值

图2 F0.03引起的杆件附加弯曲应力和轴力

由表2和图2可知：①第1孔梁在恒载及试验荷载满载作用下，固定跨上部结构产生了较大的附加内力并发生上拱。在F0.03作用下，跨中下弦杆、上弦杆、端斜杆附加轴力分别为恒载轴力的29.1%、10.0%和3.8%，附加弯矩引起支点处杆件E10E11 产生最大应力6.2 MPa，引起1.90 mm 的上拱。②在F0.05作用下，跨中下弦杆、上弦杆、端斜杆附加轴力分别为恒载轴力的47.6%、16.3%和6.2%，附加弯矩引起支点处杆件E10E11 产生最大应力10.4 MPa，引起3.11 mm 的上拱。③支座摩阻力对钢桁梁上部结构主桁杆件内力产生了很大的影响，对下弦杆为减载作用，对上弦杆和端斜杆为加载作用，这会大大降低其承载能力。因此，在桥梁养护中应注重对支座的养护，使支座的摩阻系数在设计值和参考值范围内。

3 桥梁上部结构荷载试验测试数据分析

利用试验列车荷载对5 孔梁加载，选择5 孔梁实测支座位移及第1 孔和第5 孔下弦杆应力、跨中挠度进行对比，并分析支座摩阻力对模态试验的影响。

3.1 支座位移

由于各孔梁相邻支座存在活动性差异，故采用纵向相对位移进行分析。试验荷载作用下支座纵向相对位移见表3。可知，由于2#—5#墩处各辊轴活动支座摩擦力累积，使得第1 孔钢桁梁支座位移结构校验系数（0.63）明显小于第5孔钢桁梁支座位移结构校验系数（0.83）。

表3 试验荷载作用下支座纵向相对位移

3.2 跨中下弦杆应力

连续钢桁梁结构存在对称性，在相同荷载作用下，跨中下弦杆E4E5（第1 孔）与E4′E5′（第5 孔）产生相等的内力，然而实际上由于支座纵向约束的不同，实测应力也不同。试验荷载作用下应力见表4。表中负值表示杆件受压。

表4 试验荷载作用下应力

由表4 可知：①由于辊轴支座摩阻力对上弦杆的加载作用，使得上弦杆结构校验系数超过1。②由于第1孔支座摩擦阻力的累积作用，使下弦杆减载，应力实测值偏小，第1孔梁跨中下弦杆E4E5的实测应力结构校验系数（0.75）明显小于第5孔跨中下弦杆E4′E5′应力结构校验系数（0.87）。③根据结构对称性，跨中下弦杆E4E5（第1孔）与E4′E5′（第5孔）理论计算值基本相等（由于试验车不对称，理论值稍有差别），结构校验系数也应一致。基于此，按照相同荷载和结构校验系数换算，第1孔梁跨中下弦杆E4E5轴向应力比第5孔跨中下弦杆E4′E5′少5.1 MPa，根据杆件面积得到轴力减少了296 kN，与计算模型中第1 孔跨中下弦杆附加轴力（445.7 kN）和第5 孔跨中下弦杆附加轴力（186.2 kN）的差值259.5 kN 接近，表明支座摩阻力对钢桁梁上部结构主桁杆件会产生较大的影响。

3.3 跨中挠度

第1、5 孔梁的理论竖向刚度应相同，而实际情况不同。试验荷载作用下跨中挠度见表5。可知，由于第1孔梁比第5孔梁所受摩阻力大，第1孔梁挠度结构校验系数（0.78）小于第5 孔梁挠度结构校验系数（0.82），表明增加支座摩阻力会减小主桁挠度。支座摩阻力对桥梁上部结构挠度的影响小于应力的影响。

表5 试验荷载作用下跨中挠度

3.4 模态试验

试验模态测试采用环境激励法，由于支座纵向摩擦阻力相当于对结构提供纵向约束刚度，提高了结构的竖向刚度，且与竖向动力特性有关，故仅列出竖向自振特性，见表6。可知，第1 孔固定墩边跨对支座纵向约束比较敏感，其1 阶竖向弯曲振动自振频率实测值与理论值的比值（1.14）明显大于其他阶次的比值（1.04~1.06）。原因是1#—5#支座摩阻力的累积作用使得第1孔所受支座摩阻力较大，其纵向约束大，则竖向刚度和自振频率也较大。

表6 竖向自振特性

4 结论

1）支座摩阻力对桥梁上部结构应力的影响大于对挠度的影响。支座摩阻力具有累积作用，且固定支座孔跨的上部结构受力受其影响最大。

2）在恒载、活载等作用下，支座摩阻力的存在使钢桁梁上部结构主桁杆件产生较大的附加弯矩和轴力，对上部结构主桁杆件产生不利影响。

3）由于支座摩擦阻力相当于对结构提供纵向约束刚度，提高了结构的竖向刚度，对竖向动力特性也会产生影响。

建议桥梁养护部门注重对支座的养护，滑动、滚动面保持清洁和润滑，使支座的摩阻系数在设计值和参考值范围内。