铁道建筑 ２０１１年第１２期 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 文章编号：１００３．１９９５（２０１１）１２—０００１—０４ 球型钢支座用于铁路简支梁桥的适应性研究 臧晓秋 （中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 １０００８１） 摘要：球型钢支座具有结构先进、性能稳定、易养护、少维修的特点。通过优化结构和科学选材，使球型 钢支座可较好地适应现有铁路简支梁的安装接口、梁端转角以及线路坡度，并实现与既有线桥梁支座的 互换。 关键词：球型钢支座铁路简支梁桥适应性研究 中图分类号：Ｕ４４３．３６文献标识码：Ａ ． １球型钢支座概述 球型钢支座是２０世纪７０年代在盆式橡胶支座基 础上研制成功的一种新型桥梁支座，经过多年发展，其 设计理论、生产和检验技术已日趋成熟，并大量应用于 支座、单向活动支座和多向活动支座。各类型支座均 可承受竖向荷载，并具有转动功能。除此以外，固定支 座可承受各向水平荷载，但不发生水平位移；单向活动 支座可承受限位方向的水平荷载，并适应非限位方向 的水平位移；多向活动支座可适应各向水平位移。 ２．１固定支座 国外公路和铁路桥梁。球型钢支座的优点有：①支座 部件无橡胶材料，不存在橡胶质量难控制和易老化问 固定球型钢支座的构造形式有２种：即滑动面固 题；②传力路线简洁明确，无应力集中；③通过平面摩 擦副和球面摩擦副之间滑动来提供支座的平面位移和 转角，转动阻力更小，转动更灵活；④滑板材料选用承 载能力高、耐磨性好的新型滑动材料，可有效减小支座 定支座和限位环固定支座。滑动面固定支座由凸球面 钢板、凹球面钢板和两者之间的滑动摩擦副组成，滑动 摩擦副由球面不锈钢板和球面滑板构成，见图１。滑 动面固定支座通过凹球面、凸球面间的相互制约进行 限位，通过滑动摩擦副的相对滑动适应梁体的转角。 滑动面固定支座的摩擦面除承受垂向荷载外，还承受 水平荷载，该种荷载对球面滑板产生不均匀压应力，导 致局部应力提高，引起滑板的不均匀变形，影响支座的 长期使用性能，因此，铁路简支梁桥用固定球型钢支座 不宜采用该种构造。 转动中心 尺寸，提高产品的性价比；⑤新型滑板材料的各项性能 指标受环境温度变化的影响较小，温度适应性更好，可 在一５０℃～＋６０ ｃ（＝温度条件下正常工作，适用于我 国南方、北方等不同区域。在２０１０年以前，我国的工 程设计人员将球型钢支座更多地用于环境要求高、跨 度大和重要性强的桥梁项目，如东海大桥、杭州湾跨海 大桥、青岛海湾大桥、南京大胜关长江大桥和拉萨河大 桥等跨江、跨海桥梁，尚未大面积用于新建铁路简支 梁桥。 针对常用跨度铁路简支梁的安装接口、梁端转角 以及线路坡度进行了球型钢支座的适应性研究，进一 步验证了球型钢支座可以很好地满足铁路简支梁桥的 使用要求，可在我国的铁路建设中发挥更大的作用。 凸球面板 凹球面板 ／ 逛 暑 ｛ ｝ ｝ ｝ ； ／ ， 至 （ａ）原位 （ｂ）转动 ２球型钢支座结构选型 球型钢支座按其水平方向的位移特性可分为固定 图１滑动面固定支座 限位环固定支座由上支座板（附带平面不锈钢 收稿日期：２Ｏｌ１－０８—２５；修回日期：２０１１—０９—２０ 板）、平面滑板、球冠衬板（附带球面不锈钢板）、球面 基金项目：铁道部科技开发计划项目（２０１０Ｇ０１６．Ｆ） 作者简介：藏晓秋（１９７２一），女，黑龙江宾县人，副研究员，硕士。 滑板、下支座板等部件组成，整个支座具有２个摩擦 副：平面不锈钢板与平面滑板形成的滑动摩擦副、球面 ２ 铁道建筑 滑板与球面不锈钢板形成的转动摩擦副，见图２。该 种固定支座通过上支座板的限位环承受和传递水平荷 载，平面和球面滑板仅承受和传递竖向荷载，滑板受力 均匀，同时转动摩擦副可适应梁体的转角，平面摩擦副 可调整上支座板与下支座板间间隙的大小，防止出现 卡死的现象。该构造形式部件受力明确、传力可靠，可 有效改善滑板的受力状态，提高支座产品的整体耐久 上支座板 侧向挡块 下支座板 图４侧向导向的球型钢支座 锈钢板、球冠衬板、球面滑板、下支座板、密封装置等部 性，因此更适用于铁路简支梁桥的使用要求。 转动中心 一尘 垩 ， ／ 一 －Ｊ 【 （ａ）原位 （ｂ）转动 图２限位环固定支座 ２．２单向活动支座 单向活动球型钢支座的构造形式有２种：即中间 导向型和侧向导向型。中间导向的单向活动支座通过 球冠衬板上平面的挡块与上支座板的凹槽相配合形成 导向功能，见图３。该种构造将平面滑板、平面不锈钢 板分成了两部分，材料整体性较差，同时增加了加工工 序。另外，为了机加工方便，凸台部分通常采用螺栓或 销钉与球面衬板连接，传递水平力的能力受螺栓或销 钉的承载力和数量影响较大。同时上支座板由于凹槽 的构造和传力要求往往较厚，支座的整体高度相对增 加，造价提高，经济性差。因此，铁路简支梁桥用单向 活动球型钢支座不宜采用中间导向构造。 图３ 中间导向的球型钢支座 侧向导向的单向活动支座通过上支座板两侧的通 长挡块与下支座板的侧向凸台形成导向功能，见图４。 该构造中的平面滑板、平面不锈钢板均为整体部件，工 序简洁，加工安装方便，且侧向挡块与上支座板问无焊 缝、无螺栓和销钉连接，整体性好，传力可靠，同时支座 的整体高度较低，重量轻，经济性好。因此更适用于铁 路简支梁桥的使用要求。 通过以上选型可知，铁路简支梁桥用球型钢支座 应采用由上支座板、平面不锈钢板、平面滑板、球面不 件组成的侧向导向的结构构造，见图５。该构造可提 高球型钢支座的可靠性、安全性、经济性及耐久性，为 桥上线路的长期正常运营提供技术保障。 １一下支座板，２一球面滑板，３一球面不锈钢板，４一球冠衬板 ５一密封装置，６一平面滑板，７一平面不锈钢板，８一上支座板。 图５球型钢支座构造 ３球型钢支座耐久性 球型钢支座耐久性的决定因素是滑板材料的性 能。桥梁支座常用的滑板材料有聚四氟乙烯和改性超 高分子量聚乙烯。聚四氟乙烯在我国桥梁支座中应用 最早、用量最多，改性超高分子量聚乙烯是近年新兴的 一种滑板材料，在德国、意大利等国的桥梁支座产品中 应用较多。铁路简支梁桥球型钢支座的滑板材料选择 了改性超高分子量聚乙烯。首先：该种材料的容许设 计应力高，为聚四氟乙烯的１．５倍。其次，该种材料的 耐磨耗性能优异。德国斯图加特大学材料试验室对德 国毛勒公司生产的改性超高分子量聚乙烯ＭＳＭ的耐 磨耗性能进行过系统试验。该材料在６０ ＭＰａ应力条 件下以１５ ｍｍ／ｓ的位移速度累计滑动５０ ｋｍ后，板材 表面未见明显磨损。我国科研人员在将改性超高分子 量聚乙烯用于球型钢支座时也对其进行了５０ ｋｍ磨耗 试验，试验结果与德国斯图加特大学的试验结果一致。 相比较而言，聚四氟乙烯适应高应力、快速度、长距离 的能力较差，磨耗率高，其磨耗率随正应力和位移速度 的提高而直线增加，当应力＞３６ ＭＰａ、位移速度＞８ ｍｍ／ｓ时磨耗率远大于改性超高分子量聚乙烯。另 外，改性超高分子量聚乙烯具有良好的温度适应性，在 一５０℃～＋６０℃的试验温度范围内，其拉伸强度和 ２０１１年第１２期 球型钢支座用于铁路简支梁桥的适应性研究 扯断伸长率均满足技术要求，且磨耗率和摩擦系数均 是根据盆式橡胶支座的平面尺寸确定的，而相同设计 较低，性能保持稳定。因此，该种材料可以满足不同温 荷载下球型钢支座的平面尺寸比盆式橡胶支座小得 度环境内的使用要求，无论是在东北雪原、西北大漠还 多，因此给球型钢支座的安装提供了较大的适应空间， 是在炎炎烈日包围的南方，改性超高分子量聚乙烯都 只要保证球型钢支座的上支座尺寸小于梁底预埋钢板 可以发挥优异的性能，并提升了球型钢支座的整体耐 的尺寸，而锚固螺栓孔位置与梁底预埋钢板保持一致 久性，可实现与桥梁等寿命。 即可顺利安装。考虑到未来的发展和经济性要求，还 ４ 球型钢支座简支梁桥安装接口的适应性研究 可对球型钢支座进行优化设计，使其结构更紧凑，尺寸 更合理，并在此基础上推进标准梁通用图中支座安装 我国新建铁路线运行速度在２００ ｋｍ／ｈ以上，车辆 接口的合理设计，从而节约成本，降低工程造价。 密度大，运营要求较高，用于检查、维修的时间有限。 因此，在新线建设中，简支梁桥大量地采用了等跨标准 ５ 球型钢支座简支梁桥梁端转角的适应性 梁型，截面相同、构造统一，采取现场工厂化预制，效率 铁路桥梁的梁端竖向转角（０ ， ：）通常由恒载、活 高，便于施工、质量控制和检查维修。由于该种梁型 载、预应力徐变上拱及预设上拱度等因素引起，其中恒 结构的固定化，使得与之配套使用的桥梁支座必须以 载和活载是决定因素。在我国现行铁路设计标准中， 其为基准，在构造及安装尺寸上与标准梁的预留尺寸 由竖向静活载引起的梁端竖向转角最大值应满足：０≤ 相一致，否则将影响到施工进度和支座正常功能的发 ３．０×１０一 ｒａｄ，０ ＋ ，≤６．０×１０一 ｒａｄ。见图６。 挥。现阶段标准梁通用参考图中支座安装接口的尺寸 图６梁端转角示意 由以上数值可知，铁路桥梁竖向静活载引起的梁 预设楔块时，应在预制或现场浇筑梁体前调整梁底模 端竖向转角较小，而实桥设计时转角控制值均偏于安 板的布置以形成预设坡度的混凝土楔块，该楔块底面 全，考虑动力系数的影响后梁端转角 不超过５．０× 平整，并与支座进行正常连接。采用该种调坡方式时， １０一ｒａｄ。由于恒载在竖向设计荷载中所占比例通常 支座本体可不做任何改变，但对梁底模板的布置精度 在６０％左右，因此由恒载引起的梁端转角可按１．５倍 要求较高，当线路坡度分级较多、梁体数量较大时，不 的活载转角计算，最大不超过８．０×１０～ｔａｄ。考虑安 利于批量生产，且容易出错，给整个工程造成不必要的 装偏差引起的梁端初始转角０．５×１０ 及预留的转角 经济损失。在球型钢支座上座板表面设坡是一种简 余量０．５×１０ ｒａｄ后，铁路简支梁桥梁端竖向转角的 单、经济、有效的方法，在保证支座板纵向中心处厚度 最大值为１４×１０～ｒａｄ。球型钢支座对梁端竖向转角 不变的情况下通过机加工形成纵坡。该步骤在支座加 的适应能力是由其设计转角的大小决定的，目前国 工厂内完成，操作简单、易于控制，并且通过对线路坡 内、外标准规定的球型钢支座最小设计转角为２０× 度的合理分级，可简化加工工艺和质量控制程序。采 １０一ｒａｄ，针对铁路简支梁桥的使用要求具有充足的 用该方式调整线路坡度时，梁体模板不必进行特殊布 安全储备。同时球型钢支座的设计转角可进一步提 置，可有效提高制梁、架梁效率，节省施工工期。为了 高，现阶段球型钢支座的设计转角最大可达到６０ Ｘ 避免上支座板纵向两端的厚度相差较大而引起滑板等 １０一ｒａｄ，以满足不同桥梁的使用要求。因此，球型 部件的受力不均，影响支座的整体性能，采用该方法调 钢支座能适应铁路简支梁桥的梁端转角要求，并可 坡的最大坡度不宜超过３０％ｏ。 发挥转动灵活的特点，减小转动引起的附加弯矩对 由于线路坡度的大小对线路的走向、长度、工程投 梁体本身的影响。 资、运营费用、牵引重量及运输能力都有较大的影响， ６ 球型钢支座简支梁桥线路坡度的适应性研究 因此，新建线路的坡度大部分在３０％。以内，３０‰以上 坡度的线路在总里程中所占的比例极小。针对该种情 使用球型钢支座的铁路桥梁可采用在梁底支点处 况，在球型钢支座上支座板预设坡的调坡方式可满足 预设楔块或在支座上座板表面预设坡的方式来调整梁 铁路简支梁桥适应线路纵坡的使用要求，大大节省制 体顶面的纵坡以适应线路的坡度。采用在梁底支点处 梁的工期，有利于施工进度的控制。 铁４ 道建筑 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 文章编号：１００３—１９９５（２０１１）１２—０００４—０６ 基于模态参数和神经网络的桥梁损伤识别方法 刘阔誉，姚京川 （中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 １０００８１） 摘要：由于人工神经网络具有强大的模式识别能力，近年来被广泛用于结构的损伤识别。神经网络输入 参数的选择直接影响损伤识别的效果，利用结构振动模态分析理论，验证了结构损伤前后的模态柔度差 和模态振型差均有对基准有限元建模误差不敏感的特性，建立了以上述两种指标作为神经网络输入参 数进行结构损伤程度识别的方法，从而避免因基准有限元模型误差对神经网络训练数据的影响，提高识 别准确性。３２ ｍ简支箱梁的数值模拟结果表明，训练好的神经网络可以准确地识别出结构损伤程度， 并且讨论了测量误差对识别结果的影响。 关键词：损伤识别 模态柔度神经网络 有限元模型误差 中图分类号：Ｕ４４１ ．４文献标识码：Ａ 基于结构动力响应的损伤识别方法是目前的研究 热点¨ ，近年来，基于模态参数和模型修正的结构损 伤识别方法在实际应用过程中却遇到了系统易受环境 影响、模型依赖性强、系统容错性差等问题。而神经网 络技术具有并行处理、容错性及鲁棒性强等特点，可以 采用神经网络与传统损伤检测理论相结合的方法对结 构进行损伤检测与诊断。本文利用结构振动模态分析 ［ ］｛ ｝＝Ａ ［Ｍ］｛ ｝ ［ ＋ＡＫｄ］｛ ＋△ ｝＝ （Ａ ＋△Ａ ）［ ］｛咖 ＋△咖ｄ｝ （１一ａ） （１一ｂ） 式中， ， 分别为结构刚度和质量矩阵，Ａ为结构自 振频率的平方，西为基于质量阵归一的模态振型向量， 下标ｕ和ｄ分别表示结构未损伤和已损伤，文中下标 意义相同。 理论，验证了结构损伤前后的模态柔度差和模态振型 差均有对基准有限元建模误差不敏感的特性，建立了 以上述两种指标作为神经网络输入参数进行结构损伤 程度识别的方法。 假定结构损伤前后的质量矩阵不发生改变，则只 考虑损伤前后刚度改变ＡＫ 的一阶模态摄动方程为 ［ＡＫ ］｛ ｝＋［ ］｛△咖 ｝＝ Ａ ］｛Ａ４＇ ｝＋△Ａ ［ ］｛西 ｝ （２） 根据式（１）和（２），类似地可以得到考虑了模型误 １ 模态参数对有限元模型误差的敏感性分析 忽略结构阻尼，基于摄动理论的结构损伤前后振 动方程为 差引起的刚度改变△ 和损伤引起的刚度变化ＡＫ 的模态摄动方程为 ［ ＋△Ｋ］｛ ＋△咖｝＝ （Ａ ＋△Ａ）［Ｍ］｛ ＋△ ｝ （３－ａ） 收稿日期：２０１１—０６—２５；修回日期：２０１１—０９．２０ 作者简介：刘阔誉（１９７８一），男，山西太原人，助理研究员，硕士。 ［眉 ＋△ ＋ＡＫｄ］｛ ＋△ ＋△ ｄ｝： 参 考 文 献 ７ 结 语 通过以上分析可知，用于铁路简支梁桥的球型钢 支座具有结构的科学性、材料的先进性、性能的稳定性 ［１］郑健．中国高速铁路桥梁［Ｍ］．北京：高等教育出版社， ２００８． ［２］庄军生．桥梁支座［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００４． ［３］刘广健．超高分子量聚乙烯［Ｍ］．北京：化学工业出版社， ２００１． 及良好的耐久性，完全适应现有铁路简支梁的安装接 口、梁端转角以及线路坡度，并可实现与既有线桥梁支 座的互换，可在新线建设及既有线改造中发挥更大的 ［４］中华人民共和国铁道部．ＴＢ１０６２１—２００９高速铁路设计规 范（试行）［ｓ］．北京：：中国铁道出版社，２００９． 作用。 （责任审编 王红）