沙塵侵入對(duì)鐵路橋梁支座摩擦因數(shù)的影響試驗(yàn)研究

庾光忠，夏俊勇，劉 羽， 金怡新， 劉 軍，寧響亮

（1.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007；2.成都亞佳工程新技術(shù)開發(fā)有限公司，四川成都 610000）

1 橋梁支座

支座是橋梁結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件，在整個(gè)橋梁生命周期中起到支承上部梁體荷載的作用，同時(shí)還要起支持梁體轉(zhuǎn)動(dòng)、滑動(dòng)或限位的作用。球型支座由上支座板、平面耐磨板、球冠襯板、球面耐磨板及下支座板組成，如圖1所示。因其承載能力高、轉(zhuǎn)角大、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)角無關(guān)、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于我國(guó)西北地區(qū)各種跨度、各種類型的橋梁［1-4］。

圖1 支座結(jié)構(gòu)示意

新疆、內(nèi)蒙等我國(guó)內(nèi)陸北緯地區(qū)氣候干燥，沙漠廣闊，是沙塵暴的多發(fā)區(qū)。根據(jù)陶健紅的研究成果，西北地區(qū)各月平均沙塵日數(shù)如表1所示［5］。

風(fēng)沙的侵襲將大量細(xì)小沙礫帶入滑動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副，極易加速耐磨板的磨損，最后導(dǎo)致支座失效，因而地處風(fēng)沙地區(qū)的橋梁對(duì)支座有了更高的要求?，F(xiàn)有球型支座也設(shè)置有防塵罩裝置，但沒有完全密封，風(fēng)沙極易進(jìn)入支座內(nèi)部。風(fēng)沙侵入對(duì)支座影響的試驗(yàn)研究目前較少，本文主要針對(duì)風(fēng)沙侵入對(duì)球型支座短期摩擦因數(shù)的影響展開研究。

表1 西北地區(qū)各月平均沙塵日數(shù)

2 試驗(yàn)研究目的

鐵路球型支座的平面摩擦副一般由改性超高分子量聚乙烯材料耐磨板與鏡面不銹鋼板組合而成，在耐磨板表面涂一層硅油脂以降低摩擦因數(shù)。沙塵侵入短期內(nèi)會(huì)直接破壞硅油脂所形成的油膜，長(zhǎng)期情況下會(huì)影響支座摩擦副接觸表面的粗糙度，從而影響摩擦因數(shù)。本文針對(duì)不同含沙量侵入情況下球型支座的靜摩擦因數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證含沙量對(duì)球型支座短期靜摩擦因數(shù)的影響，并與TB/T 3320—2013《鐵路橋梁球型支座》靜摩擦因數(shù)容許值對(duì)比［6］，對(duì)含沙量大小的影響做出評(píng)判，可為支座密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)際使用提供參考。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與過程

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1.1 試驗(yàn)對(duì)象

本體采用1 臺(tái)TNQZ-Q3000-ZX-e30-0.15g 球型支座［7］，豎向承載力 3 000 kN，縱向型，位移30 mm（如圖2所示）。對(duì)平面摩擦副撒沙模擬沙塵侵入，并測(cè)試平面滑移靜摩擦因數(shù)。平面摩擦副由改性超高分子量聚乙烯（設(shè)置有儲(chǔ)脂槽結(jié)構(gòu)）、平面鏡面不銹鋼（牌號(hào)06Cr18Ni11Ti）及硅油脂組成，均符合TB/T 3320—2013的要求。

圖2 支座照片

3.1.2 沙塵粒徑的確定

風(fēng)沙流中，高度不同的地方分布的沙粒粒徑不同。一般離地表越高，細(xì)顆粒的含量越多，沙粒主要為懸浮狀態(tài)；反之，越接近地表則沙粒直徑越大。風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的起沙基本方式有懸移、躍移和蠕移3 種。懸移的粒徑通常小于100 μm，這些顆粒容易被大風(fēng)帶到空中懸移，從而被風(fēng)輸送，有時(shí)輸送距離會(huì)很大。躍移顆粒的直徑范圍為100～500 μm，當(dāng)起動(dòng)風(fēng)速為5 m/s 時(shí)便可發(fā)生躍移。蠕移的沙粒直徑范圍為500～1 000 μm，由于沙粒太重只能在地表滾動(dòng)移動(dòng)，不能進(jìn)入風(fēng)中［8］?；谝陨侠碚?，根據(jù)公開的技術(shù)資料，新疆百里風(fēng)區(qū)離地面9 m 處沙粒粒徑以小于0.25 mm（60目）粒徑段為主，其粒徑分布見表2。

表2 新疆百里風(fēng)區(qū)離地面9 m處沙粒粒徑分布

結(jié)合實(shí)際情況，本試驗(yàn)的沙粒粒徑采用此粒徑段。試驗(yàn)用沙從市面購(gòu)買，為干燥沙，通過振動(dòng)篩分法依次過篩孔尺寸為0.50 mm 和0.25 mm 的篩，然后按比例進(jìn)行調(diào)配，使其符合新疆百里風(fēng)區(qū)離地面9 m處沙粒的粒徑分布。

3.1.3 試驗(yàn)機(jī)及稱量?jī)x器

采用10 MN 支座專用壓剪試驗(yàn)機(jī)，標(biāo)稱豎向壓力為10 MN，水平剪切力為1 MN，剪切位移為±250 mm。稱量?jī)x器采用電子稱，精度為0.1 g。

3.1.4 試驗(yàn)步驟

1）將支座試樣置于試驗(yàn)機(jī)的承載板上，試樣中心與承載板中心位置對(duì)準(zhǔn)，精度小于1%球型支座直徑。

2）將支座豎向設(shè)計(jì)載荷以連續(xù)均勻的速度加滿，在整個(gè)試驗(yàn)過程中摩擦因數(shù)保持不變，預(yù)壓時(shí)間1 h。

3）正式加載。用水平力加載裝置連續(xù)均勻地施加水平力，由專用的壓力傳感器記錄水平力大小，支座一旦發(fā)生滑動(dòng)即停止施加水平力，由此計(jì)算出支座的初始摩擦因數(shù)。試驗(yàn)過程連續(xù)進(jìn)行5次。

4）以實(shí)測(cè)第2 次至第5 次滑動(dòng)摩擦因數(shù)的平均值，作為支座的實(shí)測(cè)靜摩擦因數(shù)。

5）每次取5 g 配制沙塵均勻撒布在耐磨板上，重復(fù)上述步驟1—4。記錄每次的實(shí)測(cè)靜摩擦因數(shù)值，直至摩擦因數(shù)連續(xù)2次的實(shí)測(cè)值大于0.030，終止試驗(yàn)。

3.1.5 試驗(yàn)環(huán)境

根據(jù)TB/T 3320—2013，試驗(yàn)環(huán)境溫度要求在（23±5）℃，實(shí)測(cè)試驗(yàn)環(huán)境溫度約28 ℃。

3.2 試驗(yàn)過程

拆開支座，撒沙，試驗(yàn)后零部件觀察的過程如圖3所示。其中撒入的細(xì)沙大部分在支座滑移的過程中被聚集到了耐磨板的儲(chǔ)脂槽，與儲(chǔ)脂槽中的硅油脂混合黏聚成團(tuán)，在平面不銹鋼板揭開時(shí)，硅油脂與細(xì)沙的混合團(tuán)狀物黏附于鏡面不銹鋼板。撒入的細(xì)沙少部分處于平面耐磨板儲(chǔ)脂槽外，在支座滑移的過程中與鏡面不銹鋼板及耐磨板接觸摩擦，在鏡面不銹鋼板及耐磨板上留下細(xì)微的劃痕。

圖3 試驗(yàn)零部件照片

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，得到不同含沙量情況下的支座靜摩擦因數(shù)試驗(yàn)曲線，如圖4所示。

靜摩擦因數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。

根據(jù)TB/T 3320—2013，常溫（23±5）℃下，支座摩擦因數(shù)應(yīng)小于等于0.03。而根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，支座短期摩擦因數(shù)對(duì)沙塵侵入較為敏感，當(dāng)含沙量達(dá)到5 g時(shí)，靜摩擦因數(shù)為0.028，已接近標(biāo)準(zhǔn)容許值的上限；含沙量達(dá)到10 g 時(shí)，靜摩擦因數(shù)為0.048，已超過標(biāo)準(zhǔn)容許值；含沙量達(dá)到15 g 時(shí)，靜摩擦因數(shù)進(jìn)一步增大為0.056，超過了球型支座在低溫環(huán)境下的摩擦因數(shù)限值0.05。圖4中靜摩擦因數(shù)呈現(xiàn)隨含沙量增加而增大的趨勢(shì)，但曲線隨著含沙量增加有變密的趨勢(shì)，說明測(cè)試含沙量范圍內(nèi)，含沙增量對(duì)摩擦因數(shù)的影響越來越小。

圖4 試驗(yàn)曲線

表3 不同含沙量情況下支座靜摩擦因數(shù)

5 結(jié)語

本文結(jié)合新疆地區(qū)實(shí)際沙塵情況，對(duì)一個(gè)3 000 kN支座進(jìn)行了0，5，10，15 g 含沙量情況下支座短期靜摩擦因數(shù)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著含沙量的增加支座靜摩擦因數(shù)逐漸增大。對(duì)比TB/T 3320—2013《鐵路橋梁球型支座》靜摩擦因數(shù)容許值，評(píng)判了含沙量的影響大小，為支座密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用提供了一定的數(shù)據(jù)參考。

根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果可知，對(duì)西北地區(qū)鐵路橋梁支座采取嚴(yán)密措施防止風(fēng)沙侵入十分必要，建議支座采用完全密封的嚴(yán)密防沙塵形式。另外，針對(duì)沙塵侵入對(duì)耐磨板的磨耗及對(duì)長(zhǎng)期摩擦因數(shù)的影響，本文尚未展開試驗(yàn)研究，有待業(yè)內(nèi)進(jìn)一步深入研究。