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

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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,