既有铁路桥梁弧形支座锚栓折断病害分析与整治

既有铁路桥梁弧形支座锚栓折断病害分析与整治

赵岩

北京工电大修段北京市100071

摘要：上摆锚栓折断，是弧形支座病害中最为突出和主要病害。近年来由于上摆锚栓折断的原因，造成弧形支座更换的大修施工任务逐年增加。本文通过对弧形支座上摆锚栓折断原因分析及锚栓受力状态分析，揭示了支座锚栓受力的多维性和复杂性，分析总结了弧形支座上摆锚栓折断存在的设计、制造、施工及养护上的问题及造成锚栓折断的原因。通过多年的大修施工经验，认真分析、总结了近年来我局在弧形支座病害整治上的一些方法，突出对弧形支座更换平板橡胶支座、弧形支座上摆钢板套箍加固以及更换平板橡胶支座与套箍加固相结合三种整治方案进行了分析、阐述，从整治费用、施工工艺及整治效果上进行了针对性比较。通过整治方法的不断优化，病害整治的材料、工艺、技术不断发展，弧形支座上摆锚栓折断病害问题将得到有效彻底解决，文中列举的当前弧形支座锚栓折断病害整治方法，以期为同类支座病害整治提供经验。

关键词：弧形支座锚栓折断病害分析整治方法

1引言

支座是桥梁建筑物的一个重要组成部分，它将梁跨结构负担的荷载所产生的垂直力及水平力传递到墩台上，所以支座必须保证梁跨

在活载及温度应力影响下能自由伸缩，梁跨产生挠度时梁端能自由转动。否则将影响梁跨或墩台的使用寿命，并使支座本身产生各种病害，以致严重影响行车安全。弧形支座是20米及20米以下梁跨所采取的一种支座形式，但从长期桥梁养护维修中发现，这种支座产生病害甚多，包括支座锚栓、上下摆连接销子、上摆与梁体连接螺栓折断或歪斜现象，其中上摆锚栓折断病害尤为突出。仅北京铁路局所属京广、京哈、京沪线2005年以来就多次发生弧形支座上摆锚栓折断现象。

2锚栓折断的特点

2.1通过分析多年积累的大量锚栓折断资料，有一个很突出的特点，即锚栓折断的情况绝大部分都是支座与梁体连结的上摆锚栓折断。

2.2从大量观测记录看，一般都是靠梁端一侧的上摆锚栓先断，随后发生内侧的折断。锚栓折断较多的桥梁，绝大部分都有这样的规律。从时间上看，一般折断随着时间延续，数量逐渐增加，折断数量达到一定程度后，开始相对稳定下来。

2.3从大量折断锚栓的断口位置来看，也有一个共同的特点。绝大部分断口位置都在梁端镶面角钢支承板内侧2～3mm处。尤其采用锚栓与支承板焊结在一起的，断口几乎都发生在焊接处。

2.4分析大量折断锚栓断口时，发现断口绝大部分都呈脆性破坏的特征，虽然有一点颈缩，但变形不大，断口都不整齐，四周裂损较早，有一个光滑区域，中间部分呈现断裂晶格变形的特征。由此可见，锚栓折断是由表向里发展逐步裂损的过程，发展到一定深度后，在活荷载的突然作用下，使锚栓骤然脆断。

3锚栓受力分析

铁路桥梁工程技术规范中规定：固定支座承受全部纵向水平力，活动支座仅承受不大于该活动支座摩阻力的纵向水平力，但未指明力的作用情况，更未指出纵向水平力以外的力的作用。通过分析认为锚栓受力状态比较复杂，在长期运营中至少受到以下几种力的作用：

3.1锚栓长期承受着拉力

支座与梁体和墩台的连接是靠锚栓来实现的。锚栓的主要作用是将梁体、支座、墩台紧密牢固地连成一体，将梁体承受的荷载均匀而协调地传给墩台。为此，每个支座的锚栓都必须时刻保持上紧的状态，这样锚栓在长期使用中承受着拉力N作用。此力的大小随锚栓拧紧程度而变化，其值可按下式计算。

N=M/K?D

其中：M—扭力矩

K—经验系数，一般取K=0.2

D—锚栓直径

一般锚栓拧紧时，其扭力矩高达80～120N?m。若M=100N?m、D=200mm时，则每个锚栓承受2.5t拉力，截面应力高达70～80MPa。所以在锚栓的设计计算中，这是不应忽略的受力因素。

3.2梁体伸缩及活载作用下使锚栓受剪切作用

无论是钢梁或是钢筋混凝土梁，在温度影响下都会产生热胀冷缩变形，由此在梁内引起温度应力。同时列车活载产生的纵向力，主要指牵引力或制动力，并计及离心力和冲击力的影响。这两种纵向力同时作用到支座上，是锚栓设计中主要考虑的受力因素。

当活动支座上下摆间摩阻力大于纵向力时，锚栓所受剪力最大。当摩阻力小于纵向力时，梁体将沿着支座销钉椭圆孔允许的范围在纵向力的方向移动，从而减小了锚栓承受的剪力，但在实践中大多数活动支座，其活动灵敏度不尽如人意。

弧形支座理论上由上下摆的弧面接触滚动摩擦，实际上由于弧形支座早期多采用ZG25号铸钢，耐磨性能不够理想，使用寿命短。如某桥在长期荷载作用下，支座下摆弧面几乎磨平，支座上摆接触面磨出深5mm、宽100mm的沟槽，严重影响了支座的自由伸缩和转动。活动面损失增加了摩阻力，尤其是上摆锚栓所承受的剪力是随着活动面摩阻力的增大而增加的，这是造成上摆锚栓先折断的重要原因。

以专桥1014跨度l=16m低高度混凝土T梁为例，在支座上摆接触面磨出深5mm、宽100mm的沟槽的状态下，计算支座上摆锚栓所承受的剪力。

（1）标准活载作用下支座反力为：

F=RA?Sinα+f?RA?Cosα

=47.26×5/√(502+52)+0.25×47.26×50/√(502+52)

=16.45t

（3）支座上摆锚栓所承受的剪力为：

T≈F=16.45t

（4）支座锚栓的允许剪力：

Q=4A[τ]=4×380×100/104=15.2t

由以上计算可知，支座上摆锚栓所承受的剪力T略大于允许剪力Q，所以不断发生支座上摆锚栓折断的现象。

对固定支座来说，无论是温度力或活载产生的纵向力，都使锚栓受到剪切作用，其剪切力的大小也受到活动支座的影响。在此情况下，随活动支座的摩阻力的增加，活动端和固定端所承受的剪力同时增加，这就是上摆锚栓折断多的原因。

3.3梁体的挠曲使锚栓受弯曲作用

在列车活载作用下，梁体不停地做挠曲运动，尽管活载挠曲很小，但梁端转角和梁长的变形仍会发生，使锚栓受到挤压作用。当梁受活载下挠时，梁体向跨中产生缩短趋势，使锚栓受到向跨中方向的挤压。相反，当列车活载过后，梁体在弹性作用下恢复原位，锚栓又受到相反方向的挤压。这种反复的挤压作用，如同受到弯曲作用一样，而且是变化的弯曲作用，这是疲劳破坏的最不利条件，也是大量锚栓呈现疲劳脆断的根本原因所在。

从以上分析可知，支座锚栓在运营中经常同时承受拉力、剪力、弯矩的联合作用，处在多维的应力状态。为此，锚栓的设计计算应充分考虑它工作的复杂应力状态，计算动力效应的影响，从理论上研究和探索符合实际情况的计算方法。

4锚栓折断原因分析

造成锚栓折断受多种因素影响，既有设计上的问题，也有制造和施工上的问题，大致有如下几个方面。

4.1养护不到位，活动端变成固定端

弧形支座的滚动面在养护过程中，需要彻底的清除灰尘及污垢，并经常涂抹黄油，使梁体在动荷载作用下能够正常伸缩和转动，但往往由于养护工作不到位，使活动支座的上下座板锈蚀在一起，滚动面上摩擦力大增，这样在梁体伸缩和转动过程中，对支座锚栓的水平作用力增大。如果锚栓的强度不足以抵抗水平力，就会变得弯曲或折断。

4.2架梁时螺栓受损

由于施工误差，如当梁上锚栓与预留的锚栓孔眼不能准确对位时，造成落梁困难，人为校正时，个别螺栓因受锤击等而产生细小裂纹，在以后的反复受力过程中继续发展直至折断。

4.3支座安设不平，受力不均

支座安设时,支承垫石顶面处理不平或不实，造成支座三条腿现象，致使螺栓受力不均。在列车荷载作用下，个别螺栓首当其冲，承受巨大水平力而首先发生裂损，在荷载的反复作用下，发生折断，造成“各个击破”的损伤现象。

4.4结构形式问题

支座设计过程中，锚栓直径虽已满足强度要求，但对施工和使用过程中的不利因素估计不足，加之部分梁型锚栓与支承板的定位采用电焊的影响。

5整治方法

弧形支座上摆螺栓折断病害整治方法很多，有利用粘接剂代替连接螺栓的，有增设上摆限位框的，单纯的采用粘接、焊接的方法，不能使支座上摆与钢筋混凝土梁牢固联接在一起，不能起到控制梁体的作用。在多年支座病害整治大修施工中，我们采用了弧形支座更换平板橡胶支座、弧形支座上摆钢板套箍加固以及更换平板橡胶支座与套箍加固相结合的整治方案，三种方案从整治费用、施工工艺及整治效果上不尽相同。

5.1弧形支座更换平板橡胶支座

该整治方案2005年在京广36#桥、京哈235#桥采用，由于弧形支座与更换的平板橡胶支座高度相差较大，橡胶支座厚度不够采用加垫钢垫板找齐，对于京哈235号桥,橡胶支座尺寸最终采用内部钢板加厚之后的尺寸,支座尺寸为300mm×400mm×79mm(对应标准支座300mm×400mm×47mm)。钢垫板的尺寸主要根据既有支承垫石的尺寸和支座的尺寸确定,京哈235号桥梁底至支承垫石顶的建筑高度为180mm,故钢垫板选用2×30mm+1×40mm厚的钢板,不足的1mm施工时采用钢纤维砂浆找平。

5.1.1方案缺陷

(1)由于梁底钢板无限位条，梁体与平板橡胶支座之间只是依靠摩擦力约束,其约束作用没有锚栓的锚固作用强,所以弧形支座更换为平板橡胶支座后,要在墩台上安设双角钢组成的牢固的梁体防横移设施。

(2)由于梁底不平，钢垫块尺寸较大垫砂找平困难，造成支座与梁底不密贴。这种整治办法在如何使支座与梁体和钢垫板完全密贴这个问题上还是存在很大难度。当前广泛使用的自流平砂浆应该是比较理想的新材料,它可以解决支座不密贴以致支座受力不均的问题,但这种材料达到强度所用时间较长,这就造成封闭点时间延长,给运输带来更大的影响,而且在几大运输干线上封闭施工点有限,无法延长以致无法采用此种砂浆找平。在这一问题上有待于寻找更好、更适合的新材料和新的施工办法。

5.1.2整治费用：每孔支座更换约6万元。

5.1.3整治效果：由于橡胶支座受力不均，造成局部变形较大。

5.2弧形支座上摆钢板套箍加固

该整治方案2010年在京沪70#、79#桥实施，采用30mm厚的钢板套过弧形支座上摆，梁体两侧锚固钢板的方法，限制支座上摆与梁体的位移，解决支座上摆锚栓折断的病害。

5.3弧形支座更换橡胶支座结合套箍加固

此种方案2011年以来先后在京包、京承、丰沙线、京沪线使用，针对Π型梁弧形支座病害整治效果最佳，解决了支座上摆锚栓折断的病害，在更换橡胶支座后，通过与梁体的螺栓锚固，增设梁底钢板，焊制限位条，形成橡胶支座上下有效限位。通过增设单个支座钢垫块，有效解决了整体钢垫板垫砂找平困难的问题。

5.3.1整治费用：每孔支座更换约7万元。

5.3.2整治效果：彻底解决支座上摆锚栓折断的病害，更换橡胶支座后，上下增设限位条形成有效限位，梁底增设钢板确保橡胶支座与梁底密贴，极大减少了橡胶支座的局部变形。

6结束语

通过对弧形支座上摆锚栓折断原因分析，我们对其整治的方法将不断探索和发展。当前随着铁路桥梁设计的不断发展，配套的支座设计及研究不断突破，新的支座型式和材料不断出现，不但解决了支座受力的复杂性、多向性、耐久性问题，同时支座上摆锚栓也通过梁体套筒结构实现了后安装，极大降低了后期支座更换的难度。