摘要
为研究板式橡胶支座(简称板座)和球型支座(简称球座)在重载铁路桥梁中的适用性和差异性,以某重载铁路3座桥梁作为研究对象,采用现场试验方法,对比研究板座和球座对重载铁路桥梁结构振动、冲击和变形的影响规律。研究结果表明:板座具有较大的弹性和抗剪切变形能力,而球座则具有更大的刚度、转动性能、耐久性和显著降低的横竖向位移变形等特点;相对于板座,球座应用引起列车对支座和桥梁结构更大的冲击作用,进而引起支座响应频率、桥跨动挠度和阻尼比增大,但球座的应用也引起桥跨结构横向动力响应显著降低,有利于行车安全,并且对桥墩振动、桥跨竖向振动和桥跨自振性能的影响较小。因此,球座给桥梁结构提供了更好的稳定性和可靠性。
* 国家重点研发计划重点专项资助项目(2016YFB1200401‑107);国家自然科学基金面上资助项目(51678376);河北省重点研发计划资助项目(20375410D)
支座是桥梁结构中承上启下的重要组成部分,主要起到承重、约束和适应变形等重要功能,类型多样。其中,板座是我国铁路中一种最常见类
近年来,国内外学者围绕支座及其应用以及对桥梁结构动力响应问题进行了广泛研究。王凯睿
随着重载运输快速发展,板座越来越不能适应大轴重、大运量的运输要求,将板座更换为球座是未来重载运输的发展方向。因此,笔者以某重载铁路桥梁支座更换施工为背景,采用现场试验方法,深入研究支座类型对桥梁动力性能的影响规律,以期为后续大批量的重载铁路支座更换提供一些参考数据。
某重载铁路是我国的一条重要运输通道,年运量超过3亿 t,常规通行23 t及25 t轴重的为1万 t和2万 t编组列车,桥跨结构多为20,24和32 m跨度简支T梁,多用板座和盆式橡胶支座。随着运量和轴重的不断增加,板座出现了劣化开裂、脱空、局部承压、鼓包外凸及钢板锈蚀等系列病害,支座承担的传递荷载及适应变形的能力逐渐减弱甚至丧失,直接影响了桥梁结构受力安全和运营安全。鉴于球座具有传力可靠、转动灵活、位移量大和耐久性好等优点,在不损失桥梁结构和不改变受力状态情况下,已经逐步将板座更换为球座,以改进支座功能,确保运营安全。
板座一般由多层橡胶和多层薄钢板经高温硫化叠合、粘合压制在一起,多用于铁路20 m以下跨度梁。球座主要由上座板、下座板、球冠衬板及滑板等构件组成,传力可靠,小巧轻便,能够承受更大的竖向荷载且各向转动性能一致。通常情况下,板座多直接放置在墩台垫石上,主梁直接落在支座之上,支座与垫石和主梁之间无连接,横向多采用限位装置进行位移限制。球座一般采用螺栓将上下座板与梁体和墩台垫石连接在一起,不需单独设置限位装置。
为研究支座类型对桥梁结构动力性能的影响规律,选择3座桥梁进行支座更换前后的动力性能试验,分别为1#,2#和3#桥。每座桥梁均选择第1孔桥跨和1#桥墩进行试验,共计3孔主梁和3个桥墩,其中桥跨主梁均为20 m低高度预应力钢筋混凝土T梁,双片并置,采用横隔板进行横向连接。1#和2#桥采用矩形板式桥墩,墩高为7.80 m,墩宽为3.20 m;3#桥采用圆柱形桥墩,墩高为6.83 m,直径为2.20 m;3个桥墩均采用桩基础。3座桥梁均为直线布置,1#桥设置有3.7‰的纵坡,2#和3#桥均为平坡。桥梁概况如
桥梁编号 | 桥墩类型 | 梁型 | 跨度/m |
---|---|---|---|
1# | 矩形板式 | T梁 | 20.0 |
2# | 矩形板式 | T梁 | 20.0 |
3# | 圆柱形 | T梁 | 20.0 |
在主梁跨中挡砟墙上布置4个拾振器,测试列车通过时的桥梁结构横向振幅、竖向振幅、横向加速度及竖向加速度;在主梁跨中布置2个应变式位移计,测试桥梁跨中动挠度及动力系数;在活动支座处布置4个位移计,测试列车作用下的支座竖向位移和横向位移变化情况;在桥墩墩顶布置2个拾振器,测试桥墩墩顶横向振幅和纵向振幅。测点布置如

图1 测点布置
Fig.1 Layout of measuring points
振幅及加速度测试选用中国地震局891‑Ⅱ型拾振器,配套放大器;主梁动挠度和支座位移测试分别选择日本SDP‑50和CDP‑10位移计,测试精度为0.01和0.001 mm;数据采集、分析和处理采用德国IMC系列数据采集和处理系统。现场试验工作记录如

图2 现场试验记录
Fig.2 Field test record
现场测试采用正常运营列车作为试验列车,均为满载重车,机车包括SS8型和HXN3型,车辆主要为C80敞车,列车速度分为65,70和75 km/h这3个级别,每种速度保证50趟以上有效数据。现场测试完成后,对所有测试参数时程曲线检查并进行幅值统计、失真数据剔除和频谱分析,再完成数据整理分析。其中,最大值为所有列车作用下的各测试参数最大值,平均值为所有测试数据最大值的算术平均值。
桥墩是支撑上部结构的重要构件,而桥墩与主梁之间通过支座相连,列车荷载作用于主梁时,力经由轨道、枕木、主梁和支座依次传递到墩身上,使得桥墩发生横向和纵向变形,通过测试墩顶振幅变化情况,能够在一定程度上反映墩身承受的荷载大小。
桥号 | 方向 | 最大值/mm | 增减/% | 平均值/mm | 增减/% | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
板座 | 球座 | 板座 | 球座 | ||||
1# | 横向 | 0.293 | 0.224 | -23.6 | 0.232 | 0.185 | -20.1 |
纵向 | 0.238 | 0.302 | 26.8 | 0.179 | 0.247 | 37.5 | |
2# | 横向 | 0.412 | 0.362 | -12.3 | 0.305 | 0.290 | -4.8 |
纵向 | 0.201 | 0.151 | -24.9 | 0.167 | 0.122 | -27.0 | |
3# | 横向 | 0.331 | 0.374 | 13.1 | 0.269 | 0.325 | 20.6 |
纵向 | 0.129 | 0.099 | -23.0 | 0.104 | 0.085 | -18.2 |


图3 墩顶振幅最大值统计
Fig.3 Statistical of maximum amplitude of pier top
由
对比分析墩顶纵向振幅,将板座更换为球座后,2#和3#桥墩顶纵向振幅有所降低;而1#桥墩顶纵向振幅略有增大,并且不论采用何种类型支座,1#桥墩顶纵向振幅均大于2#和3#桥数据。由于3孔桥梁支座类型及1#,2#桥桥墩类型和尺寸完全一致,区别就在于1#桥位于3.7‰的坡道上,而2#和3#桥位于平道上,因此可以认为线路纵坡是引起桥墩纵向振动加大的主要原因,而球座良好的转动性能则对桥墩纵向有一定的抑振作用。
对比桥墩墩顶横纵向振幅,2种支座条件下,2#和3#桥桥墩横向振动均大于纵向振动;但对于1#桥桥墩而言,板座条件下墩顶横向振幅大于纵向振幅,而球座条件下则表现为墩顶横向振幅小于纵向振幅,且纵向振动较板座时也有所增大。结合3座桥梁结构类型和坡道情况,可以认为纵坡存在是桥墩纵向振动的主要原因,在日常维护时需多注意长大坡道桥梁墩台基础受力和病害问题。
对比2种类型支座,板座具有更好的弹性,而球座刚度较大且弹性较小。当桥梁结构采用板座时,自上而下传递的荷载一部分由板座承担,列车经过时板座会产生明显的不均匀压缩变形,而球座则通过转动来实现减振减载作用。对桥墩时程曲线进行自谱分析,列车作用下,采用板座的桥墩振动频率介于2.12~3.77 Hz之间,更换为球座后桥墩振动频率略有增加,介于2.42~4.13 Hz之间,且板式桥墩振动频率大于圆柱形桥墩,可见球座在增加了约束能力的同时也引起桥墩振动频率加大。
活载作用下支座结构不可避免地会产生变形。板座由橡胶和钢板共同组成,在竖向具有足够的刚度和较大的压缩变形,在水平方向也具有一定的弹性;而球座则由多种钢构件组合而成,承载力较板座大,且具有位移大、转动力矩小和各向转动性能一致的特点。《铁路桥梁检定规范
桥号 | 方向 | 最大值/mm | 增减/% | 平均值/mm | 增减/% | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
板座 | 球座 | 板座 | 球座 | ||||
1# | 横向 | 0.346 | 0.063 | -81.8 | 0.236 | 0.045 | -80.9 |
竖向 | 0.292 | 0.151 | -48.2 | 0.243 | 0.128 | -47.5 | |
2# | 横向 | 0.212 | 0.083 | -60.7 | 0.179 | 0.065 | -63.7 |
竖向 | 0.211 | 0.109 | -48.3 | 0.199 | 0.095 | -52.3 | |
3# | 横向 | 0.485 | 0.089 | -81.7 | 0.350 | 0.076 | -78.3 |
竖向 | 0.284 | 0.136 | -52.2 | 0.254 | 0.121 | -52.6 |


图4 支座位移最大值统计
Fig.4 Statistical of bearing displacement maximum value
由
3孔桥梁板座横向位移最大值介于0.212~0.485 mm之间,数值相对较大且比较离散;而球座横向位移最大值介于0.063~0.089 mm之间,数值较小且比较接近。可以认为,更换为球座后,支座横向位移得到明显降低。在试验过程中对2种类型支座的变形进行了观测,板座上表面和梁底之间未发生滑移,板座横向位移主要表现为橡胶的不均匀压缩变形,引起梁体左右摆动,而球座上表面与梁底间也未发生滑移,球座横向位移表现为球铰的转动。
对比分析2种支座竖向位移数据,实测板座竖向位移最大值介于0.211~0.292 mm之间,数据比较集中且最大值与平均值比较接近。更换为球座后,支座竖向位移明显减小,其最大值介于0.109~0.151 mm,降低幅度均达到50%左右。
对比支座横竖向位移数值大小,板座横向位移与竖向位移比较接近,数值较大且基本都超过了0.20 mm;而球座的横向位移均小于竖向位移。板座是通过橡胶的不均匀压缩实现转角和减振,列车作用产生的较大变形均由支座承担。球座的横向位移变化由球铰转动引起,而竖向变形由球座各部件和空隙引起,球座具有更好的横向稳定性。


图5 典型支座横向位移时程曲线
Fig.5 Time history curve of lateral displacement of typical bearing


图6 典型支座竖向位移时程曲线
Fig.6 Time history curve of vertical displacement of typical bearing
可以看出,列车作用下板座和球座的横向及竖向位移均为弹性变化,且基本没有残余位移。板座横向位移整体表现为在基准点位置处的左右振动,幅值远远大于球座;而球座横向位移整体表现为先发生一个初始变位,然后在初始变位左右高频振荡。板座和球座横向位移振动频率分别介于1.43~4.23 Hz和1.56~4.49 Hz之间,二者基本相等。
板座和球座竖向位移整体表现基本一致,列车作用下均是先产生一个向下的初始变位,然后在初始变位上下振荡。相比较而言,板座竖向振动频率介于1.58~4.52 Hz之间,小于球座竖向振动频率1.69~5.47 Hz,列车作用下引起球座产生了较高频率的振动,而板座引起较大的竖向振动幅值变化。可以认为:同一列车作用下,板座具有较大的位移变化数值和较低的振动频率,而球座位移数值较小但振动频率略高;板座具有良好的减振隔振性能,而球座则承受更大的冲击作用。
列车作用下桥跨结构的动力响应是影响列车安全运营的重要影响因素,也是评判结构性能的重要指标。支座类型不同,支撑刚度和约束条件也有所区别,移动荷载作用下的桥梁结构动力响应也会发生变化。桥跨动力响应分析从横向振动、竖向振动、动挠度、频率和阻尼比等几方面展开。
桥跨跨中横向振幅和横向加速度是影响桥梁行车安全的两个关键动力性能指标,由列车荷载激励引起,但也受到结构类型和约束情况的影响,其数值大小直接反映了梁体横向刚度和约束变化。
参数 | 类型 | 振幅/mm | a/(m· | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
1# | 2# | 3# | 1# | 2# | 3# | ||
最大值 | 板座 | 0.472 | 0.699 | 0.976 | 0.262 | 0.171 | 0.315 |
球座 | 0.388 | 0.384 | 0.680 | 0.241 | 0.128 | 0.272 | |
增减/% | -17.8 | -45.2 | -30.3 | -7.9 | -25.5 | -13.7 | |
平均值 | 板座 | 0.322 | 0.567 | 0.628 | 0.189 | 0.113 | 0.224 |
球座 | 0.306 | 0.299 | 0.510 | 0.162 | 0.086 | 0.208 | |
增减/% | -4.9 | -47.3 | -18.8 | -14.3 | -24.6 | -7.2 |


图7 桥跨横向振动统计
Fig.7 Lateral vibration statistics of bridge span
由
对比3孔桥跨横向振幅数据,1#和2#这2孔桥梁主梁和墩身类型均一致,但采用板座时测试数据有较大差异。采用板座时,1#和2#桥支座横向位移最大值分别为0.346和0.212 mm,对应墩顶横向振幅最大值分别为0.293和0.412 mm,而1#和2#桥跨中横向振幅最大值分别为0.472和0.699 mm,差异较为明显。3#桥跨中振幅远远大于1#和2#桥数据,而现场观测未发现3孔梁体存在明显病害。支座位移和墩身振动会对桥跨结构横向振动产生一定影响,但不是最主要因素,横向振动是与桥跨结构状态关系最为密切。当采用球座替换板座后,1#和2#桥横向振幅数据基本相等且显著降低,3#桥桥跨横向振动也明显降低。这表明球座大大增强了主梁的稳定性并减小了梁体振动幅度,球座对降低桥跨结构横向振动有明显效果。
加速度是表征单位时间内速度改变程度的矢量,文献[
对3孔桥跨进行频谱分析,采用板座的1#,2#和3#桥桥跨横向自振频率分别为4.53,4.62和4.72 Hz,更换为球座后3孔桥跨横向自振频率分别为4.55,4.68和4.76 Hz,支座更换前后桥跨结构自振频率基本无变化。自振频率是桥跨结构自身固有的振动频率,在约束未发生明显变化情况下,桥跨结构自振频率将不会发生改变。
竖向振动在一定程度上反映了桥跨竖向刚度,
参数 | 类型 | 振幅/mm | a/(m· | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
1# | 2# | 3# | 1# | 2# | 3# | ||
最大值 | 板座 | 0.761 | 0.551 | 0.752 | 1.080 | 1.213 | 1.224 |
球座 | 0.683 | 0.611 | 0.672 | 1.127 | 1.131 | 1.028 | |
增减/% | -10.3 | 10.9 | -10.6 | 4.4 | -6.8 | -16.0 | |
平均值 | 板座 | 0.500 | 0.473 | 0.657 | 0.659 | 0.963 | 0.771 |
球座 | 0.462 | 0.532 | 0.565 | 0.663 | 0.825 | 0.919 | |
增减/% | -7.6 | 12.3 | -14.0 | 0.6 | -14.3 | 19.1 |


图8 桥跨竖向振动统计
Fig.8 Vertical vibration statistics of bridge span
由
对支座上方梁端位置处竖向振动也进行了测试,采用球座替代板座后,梁端竖向振幅数值有所降低,振动幅值最大值由0.20~0.22 mm降至0.08~0.11 mm,与支座竖向振动降低幅度大体相当;而竖向振动加速度数值有所增加,由0.70~1.12 m/
跨中挠度是反映桥梁竖向刚度的最主要指标,
参数 | 类型 | 动挠度/mm | ||
---|---|---|---|---|
1# | 2# | 3# | ||
最大值 | 板座 | 7.190 | 8.193 | 6.733 |
球座 | 7.415 | 8.394 | 7.066 | |
增减/% | 3.10 | 2.50 | 4.90 | |
平均值 | 板座 | 6.671 | 7.643 | 6.306 |
球座 | 6.967 | 7.782 | 6.633 | |
增减/% | 4.40 | 1.80 | 5.20 |

图9 桥跨动挠度幅值统计
Fig.9 Dynamic deflection amplitude statistics of bridge span
由
对比3孔桥跨动挠度数据,2#桥动挠度明显大于其余2孔桥梁。现场观测发现,2#桥梁体底部有裂缝出现,混凝土外观表现也略差,而1#和3#桥未发现混凝土开裂情况且状况较好。可以认为桥跨结构状态是导致动挠度有所差异的根本原因,而支座约束状态和刚度的改变会对挠度产生影响,引起桥跨结构动挠度数值和相应冲击系数发生变化。
阻尼比是阻尼与临界阻尼的比值,代表桥梁结构在受激振后振动的衰减形式,文献[
方向 | 桥号 | 板座 | 球座 | 增减 |
---|---|---|---|---|
横向 | 1# | 3.364 | 4.334 | 28.8 |
2# | 3.424 | 4.162 | 21.6 | |
3# | 2.962 | 3.642 | 23.0 | |
竖向 | 1# | 3.855 | 4.423 | 14.7 |
2# | 3.937 | 4.591 | 16.6 | |
3# | 2.679 | 3.129 | 16.8 |
由
分析列车出桥后的桥跨结构自由衰减振动波形,桥跨结构横向振动频率和竖向振动频率均有所增加,但增加幅度较小,说明球座较板座刚度有所增加,耗散外部能量的能力略微有所增大,桥跨结构振动衰减速度加快。
1) 板座和球座都是适用于重载铁路桥梁的支座类型,板座具有弹性好、剪切变形能力大的特点,而球座传力可靠、耐久性好,采用2种类型支座的桥梁结构动力性能均满足相关规范要求。
2) 球座替代板座后,列车对桥梁结构的冲击有所增大,表现在支座响应频率增加、桥跨动挠度和阻尼比增大等方面,但支座横向和竖向位移显著减小,桥跨结构横向动力响应大幅降低,而对桥墩振动和桥跨竖向振动影响则不太明显。总体来说,球座较板座给桥梁结构提供了更好的稳定性和可靠性。
3) “货运重载“是我国铁路继“客运高速”后的又一重点发展方向,而现有铁路的重载化扩能改造对支座性能提出了更高的要求,相比较而言,传力更好、转动更灵活的球座更适用于重载铁路,具有广阔的推广应用前景。
参 考 文 献
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