河北抗震球型钢支座全寿命设计及施工方法

1、河北抗震球型钢支座设计
根据《公路桥梁支座实用手册》中的相关规定，在竖向设计承载力的作用下，支座的竖向压缩变形不得大于支座总高的1%，固定支座和单向活动支座非滑移方向的水平承载力均不得小于竖向承载力的10%；抗震河北球型钢支座水平承载力不得小于竖向承载力的20%，且能承受不小于竖向承载力20%的上拔力。
CJPQGZ全寿命桥梁盆式球钢支座是按照国内《桥梁球型支座》（GB/T17955-2009）、《铁路桥梁球型支座》（TB/T3320-2013）及其相关规定，并借鉴欧洲桥梁支座先进设计理念，同时参照欧洲支座标准EN1337进行设计，通过增加平面滑动副，实现转动与滑动分离，使支座受力更为合理，稳定，适用于各类公路、铁路、城市轨道交通及市政桥梁。主桥共有3个水中主墩，10#、12#墩采用墩梁临时固结体系，11#墩采用墩梁永久固结体系。全桥支座采用CJPQGZ-100000KN全寿命桥梁盆式抗震球型钢支座体系，支座分单向活动、双向活动两种。支座尺寸为长3.0m、宽3.06m，重约31吨。
2、抗震球型钢支座设计
根据《公路桥梁支座实用手册》中的相关规定，在竖向设计承载力的作用下，支座的竖向压缩变形不得大于支座总高的1%，固定支座和单向活动支座非滑移方向的水平承载力均不得小于竖向承载力的10%；抗震支座水平承载力不得小于竖向承载力的20%，且能承受不小于竖向承载力20%的上拔力。
CJPQGZ全寿命桥梁盆式球钢支座是按照国内《桥梁球型支座》（GB/T17955-2009）、《铁路桥梁球型支座》（TB/T3320-2013）及其相关规定，并借鉴欧洲桥梁支座先进设计理念，同时参照欧洲支座标准EN1337进行设计，通过增加平面滑动副，实现转动与滑动分离，使支座受力更为合理，稳定，适用于各类公路、铁路、城市轨道交通及市政桥梁。
3、主要特点
CJPQGZ系列桥梁盆式球钢支座兼顾了盆式橡胶支座和抗震球型钢支座各自优点（采用盆式支座结构，转动功能上利用球型面提供转动）。
①主体结构采用了盆式橡胶支座的型式（即钢盆、滑板），密封性能好，提高了支座滑动部件的使用寿命。
②采用球冠替代橡胶垫，增加了支座转角，避免了橡胶老化缺陷，从而提高了支座的使用寿命。
③转动是通过活塞与球冠之间相对转动，并通过球冠下滑动面同步位移释放弯矩；水平位移是通过活塞上滑动副实现。本结构实现转动与滑动的部件分离，受力、位移更加明确。
④耐磨滑板采用#新研制的高承压、自润滑、高耐磨、低磨耗的改性聚四氟乙烯滑板，提高了支座的磨耗寿命。
⑤球冠采用铸造合金铝。铸造合金铝具有中等强度、良好的抗腐蚀性，氧化效果较好，加工性能优良，且具有重量轻、耐腐蚀等特点。可直接抛光成镜面，工艺简单，使用性能优良。支座采用了冷喷锌
防腐工艺，操作简单，效果优良。
3.1球钢支座设计优势
3.2荷载承受能力
抗震球型钢支座的设计理念与QZ普通球型支座相比受力方式不同，使支座受力均匀，水平承载的能力增大。QZ普通球型支座主要有上支座板、球冠衬板和下支座板等组成。球冠衬板弧面向下放置在下支座板弧面内，梁体荷载通过球冠面传力，球冠转动的同时还需承受水平分力，球冠底部处于偏压状态，球冠有滑出下支座板的趋势，受力不均匀、结构稳定性相对较差。
抗震球型钢支座采用盆钢结构，将球冠水平搁置弧面向上放置在盆钢内。此时，在梁体竖向荷载作用下，支座发生转动并承受水平力，盆钢内球冠只发生水平移动，不承受水平力，盆钢结构支座只有钢盆壁承受水平力，球冠底部始终处于水平状态，受力均匀、构造明显更加合理。
3.3密封结构
普通球形支座很难对转动弧面做到完全密封，抗震球型钢支座在活塞上加橡胶密封圈就能非常容易地将转动弧面可靠的进行封闭。在活塞外壁与盆腔内壁设置橡胶密封圈，使盆腔实现全封闭，球面耐磨板、球冠、下平面耐磨板等部件均在盆腔内部，避免其受灰尘污染，从而使支座的转动性能得到良好的保证，有效提高了支座的寿命。
3.4耐耗性能
普通球形支座耐磨滑板材料采用聚四氟乙烯板，抗压强度不小于30MPa。抗震球型钢支座按桥梁全寿命周期设计，采用的耐磨板材料为新研制的高承压、自润滑、高耐磨、低磨耗的改性聚四氟乙烯滑板。试验证明改性聚四氟乙烯滑板在正压力45MPa、磨耗速度15mm/s、磨耗总量100km时，线磨耗率为1.94µm/km、摩擦系数µ＜0.03，满足支座磨耗的使用要求。磨耗性能试验曲线,如图5所示。该耐磨材料的高温性能良好，在正压力45MPa、磨耗速度15mm/s、试验温度70℃±2℃、无硅脂、磨耗总量1000m时，摩擦系数µ＜0.047，试验性能曲线，如图6所示。
4、抗震球型钢支座施工方法
4.1施工工艺流程
垫石处理→现场拆分支座→支座分组件吊装→预留灌浆空隙→密闭模板及管道安装→高压灌浆→模板拆除。
4.2施工操作要点
4.2.1垫石处理
处理前校核地脚螺栓螺孔的位置、大小及深度，合格后进行清理。采用电动风镐或电锤将预留孔内塑料管凿除，将混凝土表面浮浆凿毛。随之将支座垫石顶面杂质清理干净，并用磨光机将垫石顶面磨平，确保平整度，垫石顶面四角高差小于2mm。#后用水冲洗干净，并用空压机将表面积水吹干。
4.2.2现场拆分支座
抗震球型钢支座进厂时，支座本体已组装在了一起，支座的上下锚固组件要等支座安装时才与支座板连接。支座整体重量过大，需对栈桥承载力的验算，若不能实现整体吊装，需在厂家的指导下对支座进行分拆，分组件吊装。并采取可靠的吊装施工方案，即满足安全施工要求。
若将支座活塞组件拆卸，很难保后期组装时轴线一致。因此现场拆分支座时，将支座拆分为三部分。第一部分为锚固组件；第二部分为下支座板、球冠、活塞组件；第三部分为上支座板组件。
①松开临时连接板螺栓，开始准备起吊上支座板。
②用汽车吊将上支座板组件吊起，吊装时要对角吊装，保证上支座板平衡，放置在事先准备好的垫板或枕木上，注意不要划伤、弄脏上支座板上的不锈钢表面。

③将支座上座板组件吊开后，剩下活塞、球冠和支座下座板组件，即完成了支座的分拆。支座拆分后，各部件现场要做好相应的防尘、防护工作。

4.2.3抗震球型钢支座分组件吊装
测量组完成放样工作后，开始进行吊装作业。将拆分后的支座各组件采用QY75型汽车吊吊至平板拖车，运至施工现场。在支栈桥上布置一台QAY350型吊车，配备4名工人，负责安装钢丝绳及吊环。在墩顶垫石处配备4个工人，负责支座的安放及位置、标高调整，并设专人指挥吊装工作。在支座四角设置4个吊点，起吊时必须使吊钩中心与支座重心相重合，保证起吊平衡。该支座吊装分为三步，支座吊装步骤如下：
第一步：先将锚固组件吊至墩台顶面垫石处，为后续锚固组件安装前提做好准备。
第二步：吊装下支座组件、球冠及活塞组件。指挥吊机转移到起吊位置，司索工在下支座板组件上的四个吊点安装钢丝绳吊扣。检查吊机钢丝绳的安装情况及受力重心无误后开始起吊。然后将下支座板、球冠和活塞一起缓慢吊至垫石顶面，当下支座板组件吊至离垫石顶面0.6m时，在下支座板上连接下锚固组件，随即用全站仪观测其平面位置，调至无误后开始缓慢下放至垫石顶面。
第三步：下支座板、球冠、活塞（含轨道）组件吊装完成后，开始上支座板吊装，吊装步骤与下支座板吊装方式相同。然后开始调平上支座板顶面，安装临时连接板，重新将支座连接成整体。
4.2.4预留灌浆空隙
支座就位后，在支座四角对应的垫石顶面安放4台30t千斤顶，将已吊装完成的支座整体顶高3cm，为后期灌浆提供灌浆空隙，如图11所示。然后用全站仪和水准仪再次复合支座整体的平面位置及标高，确认无误后用钢楔块楔入下支座板四角。
4.2.5密闭模板及管道安装
沿下支座板四周用型钢围挡作灌浆模板，通过膨胀螺栓固定在支承垫石顶面。设置注浆管2个（其中1个备用），出气管6个，注浆管（出气管）采用镀锌钢管，软管采用塑胶管。注浆管一端插入支座底板与垫石间缝隙，一端接软管，软管引出和注浆泵相连。出气管一端插入支座底板与垫石间缝隙，另一端接塑料软管，竖向塑料软管的长度大于1.5m。安装注浆管和出气管后，用发泡剂对下支座边缘与垫石间缝隙进行封端处理。
4.2.6压力注浆
仔细检查支座中心位置及标高，确认无误后，采用无收缩高强度灌浆材料对支座空隙进行灌浆。管道安装完毕后，采用注浆泵由支座中心部位向四周注浆。利于浆体压力流动性将锚栓孔、下支座板与垫石间的空隙填满，从而保证下支座板地面与垫石顶面密贴。在注浆过程中，保证浆液的压力（0.2Mpa）稳定，观察出气软管有无浆液，若出现浆液及时将出气软管封闭。直到6个气软管均出现浆液且全封闭后，表示浆体已注满。此时注浆管应继续持压5分钟，然后将注浆软管封闭。
4.2.7模板拆除
待砂浆强度达到20Mpa后，拆除钢模板，割除注浆、出气镀锌钢管。检查是否有漏浆处，必要时对漏浆处进行补浆。#终确保下支座板与垫石密贴。拧紧下支座板锚栓，完成支座的安装。抗震球型钢支座系统作为桥梁结构五大部件之一，在桥跨结构与桥墩的支承处起着传力作用，通过优化设计，CJPQGZ系列全寿命桥梁盆式球钢支座取代橡胶支座，提高了支座使用寿命，保证了桥跨结构能产生适应荷载的变位。根据设计要求和施工条件，抗震球型钢支座对安装精度和施工安全提出了更高的要求，主墩抗震球型钢支座安装采用了现场拆分、吊装的方法，以及定位、密闭灌浆方式，有效保证了支座的受力安全，支座安装稳定、可靠，解决了脱空、偏压和支座变形、损坏等问题，为桥梁上部结构的顺利施工打下良好的基础。此类课题仍值得深入探讨和研究，本文将为桥梁全寿命支座的进一步研究和支座安装施工提供一定的借鉴。