润扬长江公路大桥南汊悬索桥加劲梁竖向支座和抗风支座[1]

20 JS　2005-1-08 江苏船舶
J I A NGS U SH I P
第22卷　第1期
润扬长江公路大桥南汊悬索桥加劲梁
竖向支座和抗风支座
赵　勇
关键词　悬索桥　竖向支座　抗风支座　磨擦副
0　引言
润扬长江公路大桥南汊悬索桥加劲梁竖向支座和抗风支座,于2001年9月由江苏省船舶设计研究所和江苏省规划设计院联合成立课题组,开展专题研究。

江苏省规划设计院从大桥总体设计考虑,对南汊悬索桥的支座,特别是竖向支座提出了一些新的和较高的要求。

希望设计的悬索桥支座具备已建成的江阴长江公路大桥支座的功能。

江阴长江公路大桥的竖向支座和抗风支座均采用德国Kvae mer Cleveland B ridge(科弗纳克利夫兰桥梁有限公司)的产品,其结构形式、运动机理、摩擦副可靠性和防腐体系科学合理,与国内传统的的滚轮式竖向支座相比,有很多可以借鉴和学习的地方,但造价昂贵。

润扬长江公路大桥南汊悬索桥竖向支座和抗风支座的主要设计参数如下。

竖向支座额定承载力,向下承受压力4650k N,向上承受拉力800kN;水平移动量,向中跨1000mm,向边跨1000mm,横向±20mm。

转角3.438°。

抗风支座额定承载力为1776.3k N,转角3.438°。

1　资料分析
国内已建成的悬索桥采用的支座,除了国外进口产品外,还有1种滚轮式结构的竖向支座,而且在虎门桥、海沧桥已经取得一些成功应用的经验。

滚轮式结构竖向支座的特点是支座滑板及侧滑板与主梁连接为一体,滚轮及座体固定在主塔下横梁上,当温度变化或在活载作用下,支座滑板可在滚轮上滚动,以完成主梁的伸缩和力的传递。

通过侧滑板摇
作者介绍:赵勇现任江苏省船舶设计研究所有限公司机电室副主任,高级工程师。

收稿日期:2004-12-20轴、摇座、座体及压板和地脚螺栓的联结,支座也可承受一定的负反力,以限制主梁在支座处翘起。

座体下部设有橡胶弹性件,允许支座总成有微小的摆动和位移。

显然,滚轮式结构的竖向支座不能实现较大的横向水平移动。

要采用滑动摩擦的结构形式,关键是滑动摩擦材料及工艺的研究和选取。

国内现有材料有LR516材料和超强聚四氟乙烯复合板等。

1.1　L R516材料
LR516材料系中船重工725所的科研成果,其材料为特种填充改性聚四氟乙烯,并经过2次复合改性的双重复合材料。

材料型式为填充聚四氟乙烯复合夹层板材。

其特点是使聚四氟乙烯的蠕变率下降(40～60)%,承载能力提高3～5倍以上,而摩擦系数很低。

填充聚四氟乙烯复合夹层滑板与不锈钢组成摩擦偶对,采用硅脂润滑,以确保其滑动摩擦系数μ≤0.03。

其LQZ系列球型桥梁支座已成功地应用于肇庆大桥、水柏铁路北盘江大桥等。

1.2　超强聚四氟乙烯复合板
超强聚四氟乙烯复合板由四川晨光化工研究所研制,其力学性能及试样实测结果如表1所示。

表1　超强聚四氟乙烯复合板材料力学性能检验项目性能指标检测结果抗压极限强度/MPa≥150160
压缩变形值/mm≤0.50.45
许用比压/MPa≥6060
蠕变值/mm≤0.50.42磨损率/(m/km)≤0.350.33
摩擦系数≤0.030.028
根据调研掌握的资料,以及对国外同类先进产品在结构形式、功能、运动机理、摩擦副润滑和防护体系等诸多方面的分析比较,决定采用国产的支承
　・船舶动力装置・赵　勇 润扬长江公路大桥南汊悬索桥加劲梁竖向支座和抗风支座 21
材料。

2　支承材料的要求和研制方案的确立润扬长江公路大桥南汊竖向支座和抗风支座的所有摩擦副均采用填充聚四氟乙烯滑板与不锈钢组成摩擦偶对。

在填充聚四氟乙烯复合夹层滑板表面均布匹配润滑脂(硅脂润滑),可保证其滑动摩擦系数μ≤0.03。

填充聚四氟乙烯复合夹层滑板(片)采用镶嵌结构与本体粘接。

在受钢构件约束条件下填充聚四氟乙烯复合夹层滑板(片)的许用比压不小于60MPa,抗压极限强度不小于150MPa;在60MPa压应力作用下,24h后的蠕变值不大于0.5mm。

在60MPa压应力作用下,一次性压缩变形不大于0.5 mm。

在60MPa压应力反复作用下,疲劳寿命不低于2×106次;填充聚四氟乙烯复合夹层滑板(片)对不锈钢板的磨损率不大于0.35μm/k m。

竖向支座和抗风支座的防腐体系采用船舶飞溅区部分用重防腐体系,即环氧富锌底漆、环氧云铁中间漆、氯化橡胶面漆。

此体系可保证在桥上使用10年不重涂。

竖向支座采用球面转动、滑动摩擦移动式结构。

滑板及侧滑板与主梁连接为一体,压盖、垫板及底板固定在主塔下横梁上,凸半块和凹半块通过销轴螺栓连接,凸半块和凹半块又通过各自的接触面与上下2部分相连。

当温度变化或在活载作用下,滑板及侧滑板与凸半块的配合可完成主梁的纵向移动,导向槽间隙±3mm。

凹半块与垫板的配合可完成主梁的横向移动,导向槽间隙±1.5mm。

凸半块与凹半块的配合可完成主梁的微量转动。

竖向支座的受力传递过程受压时为主梁-滑板-凸半块-凹半块-垫板-底板-主塔下横梁;受拉时为主梁-滑板-侧滑板-凸半块-销轴螺栓-凹半块-压盖-底板-主塔下横梁。

抗风支座采用内外球面相配的结构,内球面固定在主梁上,外球面通过螺栓及弹簧等件紧扣并压在内球面上。

抗风支座除限制主梁在支座处的横向位移外,对主梁的其他自由度均无约束。

外球面与主塔下横梁牛腿滑动面的配合,可完成主梁的顺桥向移动。

图1为抗风支座结构图。

3　支承材料和工艺特点
该种竖向支座和抗风支座的结构具有以下特点。

1镶嵌的结构对聚四氟乙烯复合板材料更有利,因为这种结构使复合材料在受压时处于3向受约束的状态,其抗压能力将大为提高,有资料介绍可提高3倍以上。

长时间受压产生的材料蠕变,由于受到3向约束也会有所降低,从而保证支座的尺寸稳定性。

2聚四氟乙烯复合板与钢材的粘接一直是困扰悬索桥主索鞍滑动安装板的难题,尤其是大面积的粘接,粘接面的抗剪强度和耐候性一直难以保证达到试验的水平。

采用镶嵌结构后,变大面积粘接为小块粘接,同时也由材料本身的抗剪代替了由粘接面抗剪,因而这种结构处理十分有效。

3以聚四氟乙烯复合板-钢摩擦副代替钢-钢摩擦副,摩擦系数及摩擦阻力会大为降低,对桥塔、加劲梁的受力有利。

图1　抗风支座结构图
4　竖向支座部分构件和螺栓强度计算在竖向支座的结构尺寸和设计方案确定后,我们对竖向支座部分构件和螺栓强度进行了计算。

在对竖向支座凸半块、凹半块、球滑块等重要构件受力进行分析的基础上,建立了结构的有限元模型,应用国际一流的大型结构有限元分析系统NAST RAN进行有限元分析。

根据“钢结构设计规范”和梁模型,
　22　・船舶动力装置・赵　勇 润扬长江公路大桥南汊悬索桥加劲梁竖向支座和抗风支座
应用Super-S AP系统进行螺栓群载荷分配,并校核螺栓强度。

所有计算结果表明竖向支座的结构强度是可靠的。

竖向支座凸半块、凹半块、球滑块等重要受力构件,在设计荷载作用下,应力分布较为合理,最大应力都在80MPa左右,不超过90MPa。

由于该支座为不锈钢铸件,材料为ZG1Cr13,其机械性能满足设计要求。

5　支座的制造、运输、安装、保养
竖向支座制造完成后,须按其额定承载力进行预压,以保证支座的安装高度。

竖向支座的起吊和运输时,须先拆除刻度指针和不锈钢护罩,还必须制作专门的支架。

该支架的功能是不允许竖向支座的任何摩擦面在起吊和运输中相对移动,直至竖向支座在桥上安装完毕方可拆除。

支座总成安装时,应首先检查主塔下横梁上垫石钢板顺桥向和横桥向的水平度,水平度误差不大于1:1000,整个平面的平面度误差不大于1mm。

另外还须核对垫石钢板至主梁底板的距离,如果此距离与支座安装高度不相符合,可通过增减支座总成底板的厚度进行调整,厚度误差不大于±5mm。

由于竖向支座总成的结构比较复杂,组成的零部件较多,故在制造厂拼装测试和预压成形后应直接将此总成安装于主梁下部相应位置,并随同主梁一同吊装。

吊装就位时,将总成的底板直接穿入垫石钢板上的地脚螺栓中,再将地脚螺栓拧紧即可。

竖向支座每运行3个月进行下列检查与保养。

1检查滑板与主梁底板的连接螺柱及滑板与侧滑板的固定螺栓是否松动,如发现松动须拧紧。

2检查压盖与总成垫板及底板的固定螺栓是否松动,如发现松动须拧紧。

3检查总成底板与垫石钢板上的地脚螺栓是否松动,如发现松动须拧紧。

4检查波纹密封的效用。

抗风支座总成安装前应检查主梁上支座的安装位置与塔柱内侧滑动面的配合位置是否适当。

如不适当,可采用改变支座总成底板厚度的方法进行调整。

塔柱内侧上的滑动面与支座总成底板之间的安装间隙应根据安装时温度设定。

抗风支座总成安装时,先将轴承座与球头螺栓连为一体,在轴承座上再顺次装入内、外球面垫圈和预套长螺栓,与支座总成的底板一起用螺栓安装于主梁相应位置。

然后,用压环把密封圈装在轴承上,再套入长螺栓,顺次装入弹簧、弹簧套,上紧螺母并穿入开口销。

最后安装密封裙。

抗风支座每运行3个月进行下列检查及保养。

1检查各个螺栓是否松动,如发现松动须拧紧。

2清洁横梁牛腿上的滑动面。

3检查密封的效用。

与传统的悬索桥滚轮式竖向支座相比,这是一种全新形式的支座,而且设计和制造可完全国产化。

该项目的研究对提高我国悬索桥支座的设计制造水平具有重要意义,可广泛应用于同类型桥梁上,经济和社会效益十分显著。

(上接第17页)
3优化舱室布置,提高了舱室利用率,增大船的有效装载量。

采用主机轴带供水泵形式,简化了设备,方便操作,提高空间利用率,改善船员的工作和生活条件。

4采用高效、低空泡、低噪音螺旋桨和高阻尼减振装置,降低了噪音和振动,改善工作环境。

5稳性好、机动灵活,采用登陆船型,适应岛屿间、复杂航道和浅水区域的航行需要。

6　实船试验
60t登陆型多用途运水船的航行试验在定海海域进行,试验严格按试验大纲的要求进行。

主要试验结果为,主机额定转速时航速达到近13kn,超过设计指标近1.0kn,回转直径为2.4倍船长,操纵性能良好。

此外,本船除完成试验大纲所规定的项目外,在1:50坡的滩头进行了登、退滩试验,其涉水深度仅为350mm,证明其具有较好的登通滩性能。

60t登陆型多用途运水船交付使用单位以来,已经历了几千n m ile的航程,多次圆满完成对无码头岛屿的淡水补给、人员交通、车辆运送等各项任务,证明设计是成功的。

参考文献
1　中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册.北京:国防工业出版社,1998
2　谭永祥等.登陆型高速交通艇船型研究.船舶,2002(4)。