铁路桥梁活动摇轴支座病害整治设计

刘东亮 张勇

1.中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，西安710054；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081

支座作为连接桥梁上部结构与下部结构的重要部件，将桥梁上部结构的荷载和变形传递给桥梁下部结构墩台及基础，同时承受桥跨结构在荷载、温度变化、混凝土收缩等因素作用下的自由变形，确保梁体和墩台结构不受损害。支座的刚度、强度和耐久性对铁路的正常运营至关重要。更换治理铁路桥梁摇轴支座病害方法有很多，目前常用摇轴支座、铰轴支座来更换病害摇轴支座。为减少更换支座的时间，增加支座更换过程中的稳定性，降低施工安全风险，本文采用一种结构改进的新型活动摇轴支座更换病害摇轴支座。

1 病害产生的原因分析

大秦、朔黄、候西、甘钟等铁路长时间运营过程中，桥梁部分活动摇轴支座出现部件受损、销钉变形剪断、下摆圆曲面变形、下摆底面与下座板错牙［1］等病害，导致支座转角和纵向位移超限、活动支座不能活动［2］，失去约束梁体的作用。支座倾斜、梁体纵横向滑移、相邻梁体纵向顶死现象时有发生，严重危及铁路行车安全。

铁路桥梁活动摇轴支座主要部件由上摆、下摆（摇轴）、底板和脚铰轴组成［3］，下摆类似于凸轮结构，顶底两端均为圆曲面形式（图1）。顶端曲面小、底端曲面大，下摆转动后，通过顶底面的位移差来满足梁体的位移需要［4］。

图1 原始摇轴支座构造

铁路桥梁活动摇轴支座病害产生的外界原因主要有：①安装技术不到位；环境作用引起的材料锈蚀、阻滞，导致材料强度性能和转动功能弱化［5］；②桥上线路养护平顺性不到位、支座养护封闭、清理不到位、螺栓松动；③线路运营行车密度增大，列车轴重和牵引质量增加，反复疲劳作用，支座螺栓所受剪力超过设计水平，螺栓被剪断、摇轴圆曲面变形错位，支座无法复位。第③项原因是造成摇轴支座产生病害、甚至严重破坏的根本原因。

2 桥梁支座病害整治常用方法

结合病害产生的原因和支座结构完好性将摇轴支座病害分为可修复的轻微病害和支座结构受损不能使用的严重病害。

对于产生轻微病害的支座可采取修复措施来整治：支座安装位置、水平等不到位，可以采用纠偏、重新安装的方法；因支座螺栓松动导致梁体发生水平位移的病害，可以采用移梁、支座复位，重新锚固螺栓的方法；螺栓强度减弱、摇轴转动削弱等病害，可以采用更换螺栓、清理灰尘、加强封闭等方法。

对于支座结构部件受损严重无法修复的严重病害，应更换支座。目前常采用摇轴支座和铰轴支座更换已产生病害的摇轴支座，但存在以下缺点：①支座结构复杂、整体高度大（约50 cm）、用钢量大、重量大，搬运困难。②更换支座须先拆卸既有支座，然后安装上摆、底板，再对位摇轴支座下摆，最后锚固螺栓。其工序繁多、复杂，安装用时长，顶梁更换支座过程中稳定性较差，增加了施工安全风险。③下摆与底板的弧面接触面较小，应力大，弧面易被压平，若下摆与底板连接的销键剪断、上摆与摇轴之间的摆卡剪断，会使支座失去活动性能，无法复位。

3 新型活动摇轴支座设计

为满足在列车运行间隙或天窗点内完成支座原位置更换的基本要求，保证锚固螺栓直径、螺栓孔位、支座高度、上下板与原支座相应尺寸、形位准确对应，从改善支座使用性能、方便施工、缩短安装时间、增强稳定性等方面考虑，设计性能良好、结构合理、安装简便的支座更换病害摇轴支座，是该新型活动摇轴支座的最大优势。

3.1 新型活动摇轴支座结构及构成

新型活动摇轴支座（图2）主要由预埋组件、下座板、中座板、钢衬板、上座板和滑动层构成，还包括端盖、销键等附件。其中预埋组件上固定有上垫板和下垫板，用于提供支座安装平台。

图2 支座构造

下垫板上设置有定位销。下座板两侧有倒L形固定结构，顶面和倒L形侧面设有不锈钢板，底部设置有定位槽，固定于下垫板上。中座板上端设置圆弧形转动面（柱面滑板），下端带有滑动层，端部横桥向有弧形凹槽，中座板安装于下座板上。设有滑动层的柱面钢衬板顶部与上座板卡接，下部置于中座板的转动面上。上座板两侧向下延伸部上有弧形通孔，上座板固定连接于上垫板上。中座板与钢衬板之间设有不锈钢板或能够实现相对滑动的光面板滑动层。

中座板端部弧形凹槽与上座板的弧形通孔通过销键连接在一起。柱面钢衬板圆弧、中座板的弧形凹槽、上座板的弧形通孔和销键圆弧为同心圆。原有梁底和墩台顶预埋钢板组件通过螺栓分别与支座的上座板及下座板连接在一起。

3.2 新型活动摇轴支座设计原理

上下座板通过螺栓与上下垫板连接形成安装平台，下座板固定于下垫板上，上座板固定于上垫板上，中座板安装于下座板上，用于传递支座载荷。

支座设置的钢衬板、中板，将支座的转角与位移分开实现。柱面结构的钢衬板通过滑动层设置于中座板的转动面上，与中座板滑动面配合，形成摩擦面实现转角。下座板倒L形固定结构侧面及顶面与中座板配合形成平面摩擦实现支座的位移［2］。新型活动摇轴支座改变了原支座由下摆摇轴来实现梁体转角和位移的方式。

下座板上倒L形结构与中座板配合，既满足代替摇轴支座支撑桥梁的功能需求，又增加了抗倾覆功能。

销键通过插入上座板弧形通孔与中座板上的弧形凹槽连接形成抗拉结构，既限定了上座板的转角范围，又限定了钢衬板的转角范围。

在支座预埋板上设置定位销，便于支座在更换安装时快速定位。

3.3 新型活动摇轴支座的优点

新型活动摇轴支座结构简单、合理，设计原理发生了根本改变，转动和水平位移的接触面与原支座相比大幅增加，转动、滑动更加灵活，产生位移后复位及时，大大改善了支承、抗倾覆等力学性能。该支座与原支座在上下板尺寸、支座高度、螺栓尺寸和螺栓孔位方面完全相同并对应，只需将支座整体平移、推进、安放，可在1 h内完成支座更换。

如果采用其他支座更换，支座高度、螺栓直径、孔位等与原支座均存在差异，需要重新打钻支座螺栓孔，凿除或加高既有墩台顶帽支撑垫石，涉及混凝土施工，大大延长了更换支座的时间，对铁路运营干扰加大，增加了施工风险。

4 活动摇轴支座更换

既有桥梁病害活动摇轴支座的更换须在列车运行间隙组织实施，最好在天窗点内，若没有天窗点则应封闭线路。更换一个支座最少需要天窗点或封闭线路1.5 h。更换支座步骤如下：

1）拆除既有桥梁活动摇轴支座上下板连接螺母，用千斤顶顶升梁体，拆除病害支座，并原位移出支座，留出施工空间。

2）将设置有螺栓孔的上下钢垫板分别与桥梁底、墩台顶支撑垫石上原有预埋组件用螺栓连接，螺栓穿过上下钢垫板，做好与支座上下座板连接在一起的准备。

3）对准下座板上设置的定位槽，通过定位销与定位槽配合实现支座上下座板在梁底和支撑垫石上的快速定位，将新型活动摇轴支座整体推入上下垫板之间，拧紧螺栓，使之与上下垫板连接牢固。

4）再次启动千斤顶，落梁，将上下钢垫板的螺栓与新型摇轴支座上下座板螺栓对孔，拧紧螺母。

5）撤除所有机具，恢复线路正常运营。

5 结语

新型活动摇轴支座为整体结构，构造新颖、作用原理明晰，其柱面钢衬板结构使转动与滑动的接触面更大，且将转角功能与位移功能分开设置，比原始摇轴支座由圆弧面支撑实现位移和转动更合理，使用效果好。新型摇轴支座更换病害摇轴支座时对铁路运营干扰时间短，影响小，且方便快捷，值得推广应用。