桥梁调高测力支座的性能研究*

刘源保 邓万军 伍大成 王剑明 邹贻军 梁家勇

(1.江西省交通投资集团有限责任公司赣州管理中心 赣州 341600；2.江西省交通投资集团有限责任公司项目建设管理公司 南昌 341600；3.成都济通路桥科技有限公司 成都 611430)

桥墩的不均匀沉降是引发多个支座间受力不均的主要因素，严重影响了桥梁的寿命和运营安全[1]。因此，需要定期检测桥梁支座的受力状态并对支座高度进行调整。传统的支座本身不具备调节高度的功能，桥墩出现不均匀沉降时需要通过千斤顶顶升桥梁梁体后，在梁体与支座间增加垫板来改善支座受力。这种方式一般需要中断交通，且施工复杂。目前，随着螺纹调高、楔形块调高、填充调高和液压调高等技术的发展，调高支座正得到越来越多的应用。

调高支座作为一种新兴的支座，其性能特点是学者们关注的重点。罗辉等[2-3]应用数值仿真和试验方法对一种螺纹调高支座展开研究，验证了螺纹调高支座的承载力和调高功能。曾永平等[4]介绍了一种楔形块调高支座，并通过试验测试了支座的调高功能。夏俊勇等[5-6]介绍一种填充式的调高支座，并通过试验验证了支座填充物的稳定性和强度。裴荟蓉等[7]对一种液压调高测力支座的性能展开试验研究，验证了支座的调高和测力特性、稳定性和安全性。杨国静等[8-9]介绍一种基于高程检测的楔形块调高支座，并通过试验验证了支座的高程检测和调高功能。目前，对调高支座的研究主要集中在调高功能和承载能力的验证上，对支座力检测的研究较少，少量的支座力检测技术为间接测量，系统复杂、精度有待验证，无法满足现有桥梁对支座力智能监测和调整的要求。

根据大广高速南康至龙南段扩能工程项目复杂地质条件及对桥梁支座的特殊功能需求，设计一种调高测力支座，在建立支座的有限元模型的基础上，通过数值仿真的方法对支座的性能展开研究。

1 调高测力支座的结构及工作原理

调高测力支座是在常规球形支座的基础上增加了调高模块和测力模块，以实现调高和测力功能，结构示意见图1。

1-顶板；2-耐磨滑板；3-楔形块；4-上支座板；5-球冠衬板；6-球面座；7-测力体；8-下支座板。图1 调高测力支座结构图

其中，顶板、楔形块、上支座板，以及调高液压顶推系统组成调高模块，上支座板、球冠衬板和球面座为常规球形支座，测力体及测量系统组成测力模块。调高功能通过在顶板斜面配合下楔形块的水平移动来实现。调高时液压系统推动楔形块的滑移可以实现支座顶板的无极抬升，达到无极调高的目的。支座测力体上四周设置有应变传感器，传感器布置图见图2，图中温度补偿传感器未示意。测量系统可实时采集测体力的应变，通过预先标定的竖向力-应变曲线来实现测力功能。为了避免调高测力支座在长期使用后，由于传感器的老化和衰减产生漂移影响测量数据的准确性，需要结合楔形块的推力数据定期对测力系统进行修正和校核。

图2 测力体传感器布置图

2 调高测力支座有限元模型的建立

为了合理模拟荷载分布，在支座顶板上部增加了材料为Q355B的圆柱体。圆柱体的半径略大于支座顶板对角线长，高度为200 mm。调高测力支座各部件均为实体结构，因此采用ABAQUS软件提供的C3D8R六面体实体单元建立支座有限元模型，共计单元188 447个，节点240 746个，支座有限元模型见图3。模型各部件接触面之间均设置接触对，接触算法采用罚函数模型。模型的边界条件为：下支座板下表面添加全约束，楔形块两侧端面添加水平面X方向的位移约束，圆柱体上表面添加水平面X方向和Z方向的位移约束。支座竖向力均匀施加在圆柱体上表面。

图3 调高测力支座有限元模型

调高测力支座除耐磨滑板外其余部件均采用Q355B材料制作，耐磨滑板为改性超高分子量聚乙烯材料制作。材料参数见表1。

表1 调高测力支座材料参数

3 有限元结果分析

3.1 分析模型

测力调高支座在设计承载力(3 000 kN)作用下，当楔形块间距变化时各部件的等效应力最大值见表2。

表2 调高测力支座楔形块间距不同时各部件的最大等效应力

由表2可知，支座各部件的等效应力最大值均随楔形块间距的增大而增大；当楔形块间距为200 mm时，钢结构中上支座板的等效应力最大值最大，为269.7 MPa，小于材料屈曲极限355 MPa，耐磨滑板中楔形块下耐磨滑板的等效应力最大值最大，为67.0 MPa，小于材料屈曲极限80 MPa；上支座板的等效应力最大值受楔形块间距增大的影响最大，其次为楔形块下耐磨滑板；楔形块间距由0mm增大到200mm时，上支座板和楔形块下耐磨滑板的等效应力最大值分别增大了1.812倍和1.351倍。

调高测力支座在设计承载力作用下，楔形块间距为200 mm时的等效应力云图见图4。由图4可知，上支座板的最大等效应力出现在楔形块滑移方向的中间区域上、下表面；当楔形块间距为200 mm时，楔形块部分区域超出了球冠衬板的半径范围，造成了支座板中间区域产生了较大弯矩，对支座板的受力不利。

图4 楔形块间距为200 mm时调高

3.2 测力体应变的影响因素分析

分析结果中，提取测力体四周传感器布置位置处的应变，并求得应变平均值作为测力体的应变。楔形块间距为80 mm、楔形块斜度为1∶8、滑动面摩擦系数为0.02、支座转角为0 rad时，调高测力支座测力体应变随支座竖向力变化的曲线见图5。

图5 支座竖向力-测力体应变曲线

由图5可知，测力体应变随支座竖向力的变化呈线性正相关。

楔形块斜度为1∶10、滑动面摩擦系数为0.02、支座转角为0 rad、竖向力为3 000 kN时，调高测力支座测力体应变随楔形块间距变化的曲线见图6。

图6 测力体应变随楔形块间距变化的曲线

由图6可知，测力体的应变值随着楔形块间距增大而增大，且近似为线性关系；楔形块间距由0 mm增大到200 mm时，测力体应变值从229.1×10-6增大到279.9×10-6，增了22.2%。

楔形块斜度、摩擦系数和支座转角对调高测力支座测力体应变的影响曲线见图7。由图7可知，楔形块斜度、摩擦系数和支座转角变化均对测力体应变值随着楔形块间距的变化曲线影响很小；楔形块间距相同时，测力体应变值最大偏差分别为0.2%、0.4%和0.8%。

图7 测力体应变随楔形块间距变化曲线

4 结论

本文建立了调高测力支座的有限元模型，首先对支座各部件的应力状态进行了分析，然后针对支座的测力功能，给出了关键参数对测力体应变的影响规律。得出以下结论。

1) 支座各部件的最大等效应力值均随楔形块间距的增大显著增大，且上支座板的等效应力变化最为明显；工作状态下，各部件的等效应力值均小于材料屈服强度，满足使用要求。

2) 过大的楔形块间距，会引起上支座板中间区域产生较大弯矩，导致支座板的安全系数接近1.3，趋于危险，因此楔形块的间距不宜过大。

3) 测力体应变值随支座竖向力和楔形块间距的变化均呈线性，而楔形块斜度、摩擦系数和支座转角对测力体应变的影响可以忽略，因此，可通过适当增加楔形块的斜度达到减小楔形块调整间距的目的。