耐磨板整板與分體式設(shè)計(jì)對(duì)高速鐵路橋梁球型支座性能影響的試驗(yàn)研究

劉立峰，黃 濤，李 心，林達(dá)文，易偉光，王 進(jìn)，盧瑞林

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

耐磨板整板與分體式設(shè)計(jì)對(duì)高速鐵路橋梁球型支座性能影響的試驗(yàn)研究

劉立峰，黃 濤，李 心，林達(dá)文，易偉光，王 進(jìn)，盧瑞林

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

鐵路橋梁球形支座的耐磨板主要有兩種設(shè)計(jì)方式，一種是整體式，一種是分體式。研究?jī)煞N不同的耐磨板設(shè)計(jì)對(duì)支座性能的影響，對(duì)于球型支座的應(yīng)用具有重要意義?；诖罅康那蛐椭ёW(xué)性能試驗(yàn)，對(duì)多項(xiàng)力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比、分析與總結(jié)。研究表明，采用整體式耐磨板的球型支座，在性能上優(yōu)于采用分片式的球型支座。

耐磨板 球型支座 力學(xué)性能

1 試驗(yàn)概述

橋梁支座是連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的重要部件，其主要功能是將上部結(jié)構(gòu)承受的各種靜、動(dòng)及沖擊載荷傳遞給墩臺(tái)，并能適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)由于荷載、溫度變化、混凝土收縮等產(chǎn)生的變形。其中耐磨板發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，橋梁水平位移是通過(guò)支座中間襯板的耐磨板與上支座的不銹鋼板的摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)下座板球面耐磨板與球冠摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)。而摩擦系數(shù)的大小，直接關(guān)系到支座在承載過(guò)程中，是否發(fā)揮了水平位移、轉(zhuǎn)角的作用。球型支座耐磨板有整體式和分片鑲嵌式兩種形式。通過(guò)對(duì)球型支座大量的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:球型支座中耐磨板采用整體式或者分片鑲嵌式，對(duì)其力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果影響較大。本文以某公司同高、同球半徑、同材質(zhì)耐磨板兩種型號(hào)600 t球型支座試件為例，對(duì)其力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2 球型支座的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

球型支座是我國(guó)鐵路橋梁目前廣泛應(yīng)用的一種支座，尤其適用于彎橋、坡橋和大跨度橋梁。它具有承受額定豎向荷載并能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，其主要作用是支承上部結(jié)構(gòu)，并把上部結(jié)構(gòu)的各種荷載傳至下部結(jié)構(gòu)。它一般是由上支座板、上支座板不銹鋼板、平面聚四氟乙烯板、球冠襯板、球面聚四氟乙烯板和下支座板以及防塵結(jié)構(gòu)組成。支座分為固定型和活動(dòng)型兩種?；顒?dòng)支座包括單向活動(dòng)支座和雙向活動(dòng)支座，雙向活動(dòng)支座為橋梁的水平位移提供位移的載體;單向活動(dòng)支座只有單向位移的性能。固定型支座能夠承受各個(gè)方向水平載荷，為橋梁的水平承載提供保障。球型支座承載能力大，力學(xué)性能穩(wěn)定，而且具有耗能少、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、轉(zhuǎn)動(dòng)反力矩小、容許轉(zhuǎn)角大、養(yǎng)護(hù)工作量少等特點(diǎn)，受到越來(lái)越多的關(guān)注。而從使用壽命來(lái)看，球型支座要優(yōu)于盆式橡膠支座，盆式橡膠支座存在橡膠墊老化和應(yīng)力集中的問(wèn)題，而球型支座則避免了這些問(wèn)題，所以球型支座是我國(guó)橋梁建設(shè)中的優(yōu)選。因此，在我國(guó)鐵路橋梁中廣泛應(yīng)用。

3 試驗(yàn)裝置與測(cè)試

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用52 MN試驗(yàn)機(jī)(如圖1)，其豎向最大靜態(tài)載荷為52 000 kN，動(dòng)態(tài)在振幅±1 mm狀態(tài)下，最大頻率可達(dá)10 Hz。自帶6個(gè)高精度外接位移傳感器，荷載、位移精度可達(dá)1%以內(nèi)。有荷載、位移兩種控制方式，能夠進(jìn)行兩維動(dòng)態(tài)和靜態(tài)加載，并能實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)加載，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控及采集。

圖1 52 MN試驗(yàn)機(jī)

3.2 試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)樣品:超高分子量聚乙烯板6 000 kN球型支座;

試驗(yàn)測(cè)試依據(jù):GB/T 17955—2009橋梁球型支座。

主要包括豎向承載力試驗(yàn)、摩擦系數(shù)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)動(dòng)性能試驗(yàn)和水平承載力試驗(yàn)。

3.2.1 豎向承載力試驗(yàn)

將樣品安裝于試驗(yàn)機(jī)中心，并在樣品的豎向四周安裝位移傳感器(AC1～AC4)，在盆徑方向安裝兩個(gè)位移傳感器(DC5，DC6)。預(yù)壓:先對(duì)樣品施加設(shè)計(jì)荷載3次，然后正式加載3次。以設(shè)計(jì)荷載的0.5%(30 kN)作為初始荷載，對(duì)位移傳感器清零，豎向以均勻的速度施加1.5倍的設(shè)計(jì)荷載9 000 kN于支座上，然后卸載，記錄設(shè)計(jì)荷載(30～6 000 kN)下的豎向壓縮變形、盆徑變形值(變形分別取平均值)。荷載—變形曲線見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 球型支座豎向承載荷載—變形曲線

圖3 球型支座豎向承載荷載—盆環(huán)徑向變形曲線

3.2.2 摩擦系數(shù)試驗(yàn)

兩個(gè)樣品按雙剪組合互疊在一起，上下對(duì)稱安裝于試驗(yàn)機(jī)受力中心，豎向加載設(shè)計(jì)荷載6 000 kN于支座上，并保持不變，預(yù)壓1 h，然后正式加載。水平力加載于兩個(gè)樣品的中間板上，直至支座開(kāi)始滑動(dòng)，計(jì)算初始摩擦系數(shù)。試驗(yàn)連續(xù)加載5次，計(jì)算第2次到第5次的平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)，作為支座的實(shí)測(cè)摩擦系數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 整體式與分片式耐磨板球型支座水平摩擦試驗(yàn)對(duì)比

3.2.3 轉(zhuǎn)動(dòng)性能試驗(yàn)

兩個(gè)樣品按雙剪組合互疊在一起，上下對(duì)稱安裝于試驗(yàn)機(jī)受力中心，在支座豎向加載6 000 kN荷載，并保持不變，轉(zhuǎn)動(dòng)作動(dòng)器頂起加載橫梁，以5 kN/min的速度施加轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，直至支座發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間的最大荷載，計(jì)算試驗(yàn)支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行3次，取3次平均值作為轉(zhuǎn)動(dòng)性能力矩結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 整體式與分片式耐磨板球型支座轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

3.2.4 水平承載力試驗(yàn)

將支座安裝于試驗(yàn)機(jī)受力中心，在支座豎向加載50%設(shè)計(jì)荷載3 000 kN，用水平承載力的20%(120 kN)預(yù)推，反復(fù)進(jìn)行3次后，正式加載。先將支座豎向加載50%設(shè)計(jì)荷載3 000 kN，橫向以設(shè)計(jì)水平力的0.5%(3 kN)作為初始荷載，待設(shè)計(jì)水平力達(dá)到90%(540 kN)時(shí)，再將豎向承載力加至設(shè)計(jì)荷載6 000 kN，然后將水平承載力加至設(shè)計(jì)水平承載力的1.2倍(720 kN)，保載3 min后卸載，見(jiàn)表3。

表3 整體式與分片式耐磨板球型支座水平承載試驗(yàn)對(duì)比

4 整體式和分片鑲嵌式耐磨板球型支座試驗(yàn)分析

4.1 兩種球型支座豎向承載力試驗(yàn)對(duì)比

表4試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種結(jié)構(gòu)支座豎向變形存在較大差異，分片鑲嵌式比整體式耐磨板球型支座豎向變形要大，而盆徑變形相差無(wú)幾，多年大量的試驗(yàn)表明豎向變形都處于這種趨勢(shì)。其主要原因可能是由于兩種耐磨板結(jié)構(gòu)、工藝的差異所致。整體式耐磨板是一次性壓模成型，相對(duì)要平整，如圖4。而分片鑲嵌式耐磨板是由很多小塊分別鑲嵌在襯板平面與下座板球面槽里，如圖5，襯板平面耐磨板要盡可能保證平面平整，球面耐磨板要與不銹鋼球面襯板完全貼合，確保輪廓度公差，不應(yīng)有脫空現(xiàn)象。否則兩層耐磨板高低不平，使之產(chǎn)生彈性變形，使豎向變形超差。

表4 整體式與分片式耐磨板球型支座豎向承載試驗(yàn)對(duì)比

圖4 整體式耐磨板球型支座

圖5 分片鑲嵌式耐磨板球型支座

4.2 兩種球型支座摩擦系數(shù)試驗(yàn)對(duì)比

表1試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種結(jié)構(gòu)支座摩擦系數(shù)存在較大差異，分片鑲嵌式比整體式耐磨板球型支座摩擦系數(shù)要大，多年大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明摩擦系數(shù)都處于這種趨勢(shì)。其主要原因可能是由于分片鑲嵌式耐磨板和整體式耐磨板結(jié)構(gòu)和工藝的差異所致。襯板上的分片式耐磨板處于一個(gè)不完整的平面，增加了耐磨板壓應(yīng)力，以致于摩擦系數(shù)會(huì)大于整體式耐磨板球型支座。

4.3 兩種球型支座轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)對(duì)比

表2試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種結(jié)構(gòu)支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩存在較大差異，分片鑲嵌式比整體式耐磨板球型支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩要大，多年大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明轉(zhuǎn)動(dòng)力矩也都處于這種趨勢(shì)。其主要原因可能是由于分片鑲嵌式和整體式耐磨板本身結(jié)構(gòu)和工藝的差異所致。在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，力矩的大小是由襯板平面耐磨板與球面耐磨板共同作用決定的，其性質(zhì)與水平摩擦試驗(yàn)相同，其區(qū)別是水平摩擦是一個(gè)滑動(dòng)面，而轉(zhuǎn)動(dòng)是兩個(gè)摩擦面，所以通常在同一組樣品中，轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦系數(shù)要大于水平摩擦系數(shù)。由于結(jié)構(gòu)、工藝的差異，襯板平面分片式耐磨板處于一個(gè)不完整的平面，球面分片式耐磨板與襯板球面沒(méi)有完全貼合，出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，其增加了耐磨板壓應(yīng)力，以致于轉(zhuǎn)動(dòng)力矩會(huì)大于整體式耐磨板球型支座。

4.4 兩種支座水平承載力試驗(yàn)對(duì)比

從表3試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，兩種結(jié)構(gòu)支座水平承載試驗(yàn)結(jié)果相同，與以往大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也是一致的。水平承載試驗(yàn)主要是測(cè)試支座承受橫向力的能力，與耐磨板采取什么形式?jīng)]有直接關(guān)系。

5 結(jié)語(yǔ)

球型支座耐磨板采用分片鑲嵌式或整體式對(duì)其力學(xué)性能有較大的影響，而對(duì)水平承載力無(wú)明顯影響。雖然分片鑲嵌式球型支座在加工成形時(shí)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但從力學(xué)性能來(lái)看，球型支座耐磨板采用整體式要優(yōu)于分片鑲嵌式。

[1]中華人民共和國(guó)鐵道部.GB/T 17955—2009 橋梁球型支座[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

[2]中華人民共和國(guó)鐵道部.GB/T 17955—2000 橋梁球型支座[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2000.

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U443.36

A

1003-1995(2012)06-0039-03

2011-09-22;

2012-04-01

劉立峰(1982— )，男，湖南株洲人，工程師。

(責(zé)任審編 白敏華)