铁路桥梁支座病害分析

刘 纲

(神华包神铁路集团有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017000)

1 概述

包神铁路北起包兰铁路的万水泉站，经内蒙古鄂尔多斯地区，至陕西省神木县大柳塔镇，全长170.15 km。包神铁路建成于1989年，现已运营24年，设计年运输能力1 400万t，后经过电气化改造，对列车进行了提速，包神线运量大大提高，至2009年年底年运输能力增加到1.6亿t。包神铁路设计施工于20世纪80年代，其设计标准、施工工艺、施工材料均不能达到现代标准，现行的运量和设计车速已远超过其当初设计值，而桥梁结构本身承载力并未随之提高，随着桥梁服役期的不断增长，相应的病害日益凸显，其中支座病害最为严重。包神线管内支座主要为铸钢支座，分为摇轴支座、弧型支座和辊轴支座三种类型。

2 支座作用及布置原理

2.1 支座作用

钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构桥梁上部结构和墩台之间需设置支座，其作用为:1)将上部结构的荷载传递到墩台及基础，其中荷载包括恒载和活载引起的竖向力和水平力。2)保证结构在活载、温度变化、混凝土收缩和徐变等因素作用下能自由变形。

固定支座传递竖向力和水平力，允许上部结构在支座处能自由转动但不能水平移动;活动支座则只传递竖向力，允许上部结构在支座处既能自由转动又能水平移动。钢筋混凝土简支梁桥静定结构的受力图如图1所示。

图1 静定结构受力图

2.2 支座布置原则及其原理解析

包神铁路桥梁支座布置遵循《维规》中支座布置原则:当桥梁位于坡道上时，固定支座应设在较低一端，如图2所示;当桥梁位于平坡上时固定支座宜设在梁的重车方向端，如图3所示。

图2 有坡道支座布置

包神铁路梁体主要采用预应力混凝土简支T型梁，预应力混凝土T型梁失效标准是梁体下缘出现拉应力甚至拉应力大于混凝土抗拉强度(即开裂)，所以支座的布置原则就是尽量减小梁体下缘所受拉力。从图2可以看出有坡道时，梁上荷载P在沿梁坡道方向有一个分力，此分力有使梁体产生指向固定支座方向位移的趋势，由于固定支座不能水平移动，则梁体会有缩短的趋势即梁体受压，此压力可以抵消一部分梁上荷载产生的梁下缘拉力，符合支座的布置原则。从图3可以看出当将固定支座设于梁的重车方向端，重车牵引力或制动力也会给梁一个沿梁体指向固定支座方向的力，此力有使梁体产生指向固定支座方向位移的趋势，由于固定支座不能水平移动，则梁体会有缩短的趋势即梁体受压，此压力同样抵消一部分梁上荷载产生的梁体下缘拉力，符合支座的布置原则。

图3 重车方向支座布置

3 活动支座工作原理

以摇轴支座为例介绍活动支座的工作原理。摇轴活动支座由底板、摇轴和与锚固于梁底板的上摆组成，如图4所示。摇轴顶面与上摆由摆卡和顺桥向限位连接，摆卡限制摇轴的横桥向位移，上摆上设有顺桥向限位，可以保证摇轴顶面与上摆在顺桥向同步位移，摇轴底面与底板由销钉连接。摇轴的底面为圆曲面形，可以在底板上自由转动，但由于销钉的限制作用，摇轴与底板不能有相对位移，活动支座的纵向位移由摇轴转动后摇轴顶面与底面的位移差实现。

图4 摇轴活动支座

图5 销钉受剪破坏

摇轴支座的理想工作状态是摇轴底面在底板上转动，最大允许转角为7°，梁体在转角范围内自由伸缩，并可以在自重作用下摇轴底面回到原来位置。但包神铁路桥梁由于重车方向明确、坡度设置和收缩徐变等因素影响，转角范围内的梁体位移已不能满足梁体伸缩要求，当摇轴转角达到最大，随着梁体进一步缩短，梁上水平力在由摇轴传递给底板时，销钉所受剪力渐渐增大，直到销钉受剪破坏，如图5所示。销钉受剪破坏后，摇轴在底板上没有了约束，除了转动外可以产生水平位移，如图6所示，此时的梁体水平位移包括摇轴转角产生的梁体位移与摇轴底面在底板上产生的水平位移之和。

图6 销钉剪断后支座位移

当销钉剪断，摇轴与底板之间有相对位移后，此时的水平力传递是梁体通过上摆的顺桥向限位传递给摇轴，然后由摇轴底面与底板的摩擦力传递到底板进而传递到桥墩，当发生地震、撞击或列车急刹车等偶然事件时，梁上传递的水平力远远大于摇轴底面与底板的摩擦力，将产生瞬时较大位移，有可能摇轴滑出底板发生落梁，造成安全事故。从图4可以看出上摆顺桥向限位截面较小，在摇轴已产生较大转角和位移，与顺桥向限位顶死状态下，支座一侧的两个顺桥向限位承受很大的剪切力，随着运营时间的增长，很有可能发生脆断，发生安全事故。换支座时上摆不更换(顺桥向限位与上摆为一个整体)，顺桥向限位作为一个主要受力构件，应加以重视。

4 支座位移方向原因分析

通过对包神铁路桥梁支座普查，大部分活动支座位移指向跨中方向，其原因主要分为两方面:

1)包神铁路大部分桥梁具有纵坡，且因为是运煤专线其重车方向明显，以北线桥梁为例，从东胜到包头方向为重车方向，北线大部分桥梁有纵坡且包方为较低端，则北线桥梁固定支座大部分设置在包方，支座布置符合《维规》中支座布置原则。从支座布置原则的原理解析中可知，当桥梁位于坡道上时，梁上荷载在沿梁坡道方向有一个分力，此分力有使梁体产生指向固定支座方向位移的趋势，由于固定支座不能水平移动，则梁体会有缩短的趋势，随着运营时间的增长，梁体缩短就会带动活动支座向跨中方向移动，则活动支座产生向跨中方向的位移;将固定支座设于梁的重车方向端，重车牵引力或制动力会给梁一个沿梁体指向固定支座方向的力，此力有使梁体产生指向固定支座方向位移的趋势，由于固定支座不能水平移动，则梁体会有缩短的趋势，随着运营时间的增长，梁体缩短就会带动活动支座向跨中方向移动，活动支座会产生向跨中方向的位移。

2)包神铁路桥梁梁体采用预应力混凝土T型梁，预应力混凝土梁由于预应力筋的作用，梁体处于偏心受压状态，在梁体下缘预应力筋的预压力最大，随着运营时间的增长，梁体会产生徐变压缩变形，其中梁体下缘徐变变形最大(方向沿预压力方向)，即梁体下缘缩短最大，此时梁体上拱度增大。由于固定支座不能水平移动，梁体缩短就会带动活动支座向跨中方向移动，则活动支座产生向跨中方向的位移。同理梁体混凝土的失水收缩也会加大梁体缩短，梁体缩短就会带动活动支座向跨中方向移动，则活动支座产生向跨中方向的位移。

5 支座位移过大产生的不利影响

从以上所述可知，正常情况下，活动支座位移应指向跨中方向，即梁体缩短，梁体缩短会造成预应力损失增大，对梁体受力不利，缩短梁体寿命;如活动支座已产生较大位移，其继续产生位移的空间会越来越小，渐渐形成活动支座不活动，活动支座不活动可能使结构体系由原来的静定结构变为超静定结构(即梁的两端均为固定支座)，桥梁所受荷载尤其是活载不能得到有效缓冲，对结构受力不利，另外由于活动支座不能自由伸缩，在温度变化、混凝土收缩徐变等因素影响下，梁体将产生较大次内力，缩短梁体寿命。

6 综述

1)以包神铁路支座为背景，介绍了支座的布置原则，并对布置原则从力学上进行解析，即支座的布置以减小梁体下缘所受拉力为原则。

2)以摇轴支座为例介绍活动支座的工作原理，对整治和预防支座病害具有重要意义。

3)对活动支座位移方向原因进行解析。活动支座位移指向跨中方向，此时梁体缩短即梁体受压，可以减少梁体下缘所受拉力，符合支座布置原则，反之可以看出，支座的布置考虑了支座的位移方向;活动支座位移指向跨中方向的另一原因为梁体的收缩徐变。

4)介绍活动支座位移过大的不利影响，会造成较大预应力损失，对梁体受力不利;造成活动支座不活动，荷载不能得到有效缓冲，也有可能使梁体产生次内力，缩短梁体寿命。

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