退役支座的涅槃重生——桥梁钢支座性能评估与再制造技术研究

作为桥梁的“关节”，支座是连接桥梁上部结构和下部结构的关键部件，主要发挥荷载传递、适应主梁变形及抗震功能。近年来，随着桥梁使用环境逐渐恶劣、交通量逐年剧增、重载车辆的增加，致使支座出现了各种病害，例如，滑板磨损、钢件锈蚀、底盆开裂等，严重影响了桥梁的服役性能，迫使大量桥梁支座进入了维修、整体更换阶段。目前，对影响正常使用功能的支座，普遍采取整体更换的方式，施工措施费用较高，且拆卸下来的支座作为废旧钢材处理，循环利用较少，造成了较大的资源浪费。

桥梁钢支座服役现状

通过对服役及更换下的支座进行服役状况的检查，发现其主要病害为滑板严重磨损、不锈钢镜面不同程度磨损，支座钢部件未发生明显性能损伤。

滑板磨损

支座滑板作为支座（盆式支座、球型支座、摩擦摆支座）的关键薄弱部件，可以有效减小支座在滑动、转动等运动过程中的摩阻力，且可避免钢件与钢件直接接触的磨损。由于普通滑板的干磨性能较差，需在滑板表面设置储油槽，并涂抹硅脂润滑，但是硅脂在使用3~5年后水解而失效，导致滑板与不锈钢镜面干磨，在外露滑板磨损殆尽后，支座出现钢与钢对磨现象，摩擦系数增大后不仅改变了桥梁的约束体系，而且增加了支座锚棒周围约束混凝土被挤碎的风险。

图1 服役支座硅脂溢流

《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/TH21-2011）中列出支座外露高度<0.2mm时会对其他部件造成病害，有必要对支座进行更换。而支座更换不仅需要顶升梁体，且一般要将原锚棒周围的混凝土进行开凿、重新浇筑等施工工序，更换成本较高。图2为某桥梁上服役15年后更换下来的支座滑板磨损情况，如图所示，滑板表面发生了严重磨损，并且部分滑板被挤出。

图2 退役支座滑板损伤情况

不锈钢镜面损伤

支座不锈钢镜面主要发挥减小滑板和钢件磨损，保障支座正常发挥滑动功能。在支座的服役过程中，不锈钢表面伴随支座不同服役阶段会发生不同程度的磨损。当支座滑板外露3mm磨损殆尽后，不锈钢表面与支座中间钢板顶部发生钢与钢的对磨，加剧了其表面的磨损。

此外，在支座正常滑动范围外侧的不锈钢镜面的表面被涂刷了防腐油漆涂层，降低了不锈钢镜面的光洁度，导致支座滑动的摩阻力增大。该现象也间接反映出一些桥梁养护人员的技术素养不高，且未经过岗前技术交底，导致他们在支座的维护中对不锈钢镜面的表面喷涂防腐油漆。

钢件锈蚀

支座在服役过程中，由于防腐涂层受到外界环境腐蚀介质的破坏，导致上座板、中间钢板及底盆等钢件表面的防腐涂层脱落，且在表面出现不同程度的锈蚀现象。尤其对于中间钢板与不锈钢镜面接触的部位，由于该部位间隙较小，不便于桥梁运营中养护人员对该部位进行补漆，致使该部位的锈蚀比其他部位严重。

退役支座服役性能检测与评估

退役支座原材料

支座钢部件

支座的钢部件主要包括上座板、球冠与下座板三部分。为评估钢件内部损伤状况，采用超声波检测仪器对钢件进行了探伤检测，发现钢件无裂缝蜂窝状孔洞，满足规范中钢件内部缺陷质量等级为二级的要求，表明支座在服役过程中，钢件内部未出现明显损伤，具备循环再利用的前提条件。

图3 退役支座钢件下座板锈蚀情况

不锈钢镜面

不锈钢镜面的主要病害为表面磨损。经测试，不锈钢镜面表面粗糙度Ra的最大值为5.31μm，远超出规范中粗糙度Ra不大于0.8μm的要求。同时，上座板的不锈钢镜面与基体贴合状况较差，多处出现脱空，主要原因在于支座上座板为柱面，焊接时仅对不锈钢镜面边缘进行了焊接，在焊缝温度降低后，镜面出现冷缩现象，使其与上座板的凹柱面脱空，该病害在大尺寸、小曲率半径的支座中较为突出。

滑板

支座滑板病害主要为表面磨损严重、压缩蠕变大等。对从支座拆下、未发生明显损坏的滑板进行一小时的持荷试验，如图4所示。测试表明，在45MPa面压荷载下，滑板厚度由5.08mm（压载前）变为3.84mm（压载后），滑板厚度减小了24.4%；卸载后，滑板外露厚度为4.52mm，残余变形达11.0%，抗蠕变性能较差。

（a）试验前

（b）试验后

图4 滑板试验样本

同时，采用磨耗试验机对拆下的旧支座滑板开展长距离干磨磨耗试验（面压45MPa，运动幅值±10mm，频率0.125Hz，速度为5mm/s），磨耗距离为1.7km。测试后经计算，支座滑板的线磨耗率为391μm/km，摩擦系数在0.06至0.08之间，表明滑板的摩擦系数较大、耐磨性能差。为改善滑板的工作性能，建议选用超高性能聚四氟乙烯滑板，其干磨状态下线磨耗率小于30μm/km，摩擦系数为0.03～0.04。

图5 拆下来的旧支座滑板长距离干磨磨耗试验

退役支座力学性能检测

根据《桥梁双曲面球型减隔震支座》（JT/T 927-2014）的要求，对支座施加18750kN（1.5倍的设计承载力12500kN）进行承载力测试，竖向压缩变形为2.2mm，小于规范所要求的支座高度1%（2.6mm）。测试结果表明，支座在服役15年后，其内部的钢件强度未发生明显变化，它的竖向承载性能仍满足规范要求。通过转角试验可知，支座转角不小于0.02rad，满足《桥梁球型支座》（GBT 17955-2009 ）规范要求。综合考虑支座承载力试验、转角试验及超声波探伤结果，支座具备再制造的基本条件。

图6 竖向承载力试验曲线

采用正弦波进行加载，对支座加载至竖向设计承载力（12500kN），开展慢速与快速作用下支座力学性能测试，滞回曲线见图7。在慢速作用下，试验峰值速度5mm/s，摩擦系数为0.073，已超出原设计中硅脂润滑条件下摩擦系数小于0.03的要求；而在快速作用下，试验峰值速度达到400mm/s，摩擦系数为0.072，滑板表面出现分层碎屑现象，且磨屑较多。

图7 慢速/快速试验曲线

再制造工艺

再制造是指针对再制造毛坯进行专业化修复或者升级，使其性能不低于新产品，再制造不同于维修，再制造形成的是新产品。支座再制造主要包括以下阶段：旧支座回收→初步检测评估→方案设计→支座再制造→成品支座，其中方案设计包括拆除方案与支座再制造方案。拆除方案要确定部件拆除的方法与原则，对拆除后的部件进行编号分类，同时对拆除后的部件再利用进行评估。支座再制造方案主要包括支座部件再制造以及滑板性能提升，支座部件再制造主要通过补焊→车铣→抛丸→不锈钢镜面焊接→喷漆→支座安装，最终完成成品支座的制造，其流程如图8所示。

图8 支座再制造流程

图9为服役15年的桥梁钢支座。在支座专项检查时，发现引桥支座滑板外露高度小于0.5mm的占总支座数量的比例高达46%，滑板磨损较为严重，于2021年进行部分支座更换。针对拆卸的钢支座，采用文章所推荐的再制造研究思路与方法开展支座的再制造，主要过程如图9所示。

（a）补焊

（b）车铣

（c）焊接

（d）喷漆

（e）支座安装

图9 支座再制造流程

再制造支座力学性能

为检验再制造支座的性能是否满足相关规范要求，使用支座试验机开展力学性能试验。

1滞回性能

由于原支座竖向承载力试验与转角试验满足要求，因此再制造支座试验主要对摩擦系数和极限位移性能进行试验研究。经测试，慢速作用下再制造支座摩擦系数为0.037，满足摩擦系数小于0.04的设计要求。

极限快速剪切性能

针对再制造支座开展极限快速剪切性能试验，采用正弦波加载，峰值速度分别为100～400mm/s，测试结果见图10。从该图中可知，不同加载速度下滞回曲线无明显卡滞，快速剪切性能试验下摩擦系数较为稳定，在0.037-0.040之间。与拆卸下来的旧支座在极限快速剪切作用下滑板表面出现大量磨屑的现象不同，再制造支座采用了耐磨性能高的超高性能聚四氟乙烯滑板材料，经过快速磨损试验后，滑板表面光滑，未出现严重磨损或软化现象，不锈钢镜面未出现高温烧蓝，试验后滑板表面见图11。

图10 快速剪切性能试验滞回曲线

图11 再制造支座滑板磨损状况

再制造支座成本

再制造产品通常具有以下特点：再制造产品的质量和性能不低于原型新品，甚至超过原型新品，而成本只是原型新品的50％，可以节能60％、节材70％。

图12 未更换不锈钢镜面方案

图13 更换不锈钢镜面方案

再制造支座通常根据摩擦副受损情况来确定改造方案，改造方案一般分为两类，一类更换不锈钢镜面，另外一类无须更换不锈钢镜面。若不锈钢镜面可以满足继续使用的条件则不进行更换，采用这种方案再制造成本中涂装占57%，更换滑板占总成本的24%，各成本组成如图12所示。若不锈钢镜面需要进行更换，再制造支座的成本中不锈钢镜面占总成本的40%，滑板占总成本的30%，涂装占22%。同时将再制造支座与新支座成本进行了测算与对比，再制造支座成本约为新购买支座的57.6%，该测算结果也符合再制造产品的特点。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志

2023年 第4期 总第24期

作者 / 冯良平 李冲 张精岳

作者单位 / 中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司

编辑 / 陈晖

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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