耐磨板整板與分體式設計對高速鐵路橋梁球型支座性能影響的試驗研究

劉立峰，黃 濤，李 心，林達文，易偉光，王 進，盧瑞林

(株洲時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計對高速鐵路橋梁球型支座性能影響的試驗研究

劉立峰，黃 濤，李 心，林達文，易偉光，王 進，盧瑞林

(株洲時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計方式，一種是整體式，一種是分體式。研究兩種不同的耐磨板設計對支座性能的影響，對于球型支座的應用具有重要意義。基于大量的球型支座力學性能試驗，對多項力學性能的試驗結果進行了對比、分析與總結。研究表明，采用整體式耐磨板的球型支座，在性能上優于采用分片式的球型支座。

耐磨板 球型支座 力學性能

1 試驗概述

橋梁支座是連接橋梁上部結構和下部結構的重要部件，其主要功能是將上部結構承受的各種靜、動及沖擊載荷傳遞給墩臺，并能適應上部結構由于荷載、溫度變化、混凝土收縮等產生的變形。其中耐磨板發揮著至關重要的作用，橋梁水平位移是通過支座中間襯板的耐磨板與上支座的不銹鋼板的摩擦來實現，轉動是通過下座板球面耐磨板與球冠摩擦來實現。而摩擦系數的大小，直接關系到支座在承載過程中，是否發揮了水平位移、轉角的作用。球型支座耐磨板有整體式和分片鑲嵌式兩種形式。通過對球型支座大量的試驗研究，結果表明:球型支座中耐磨板采用整體式或者分片鑲嵌式，對其力學性能試驗結果影響較大。本文以某公司同高、同球半徑、同材質耐磨板兩種型號600 t球型支座試件為例，對其力學性能數據進行對比分析。

2 球型支座的結構和特點

球型支座是我國鐵路橋梁目前廣泛應用的一種支座，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現轉動的功能，其主要作用是支承上部結構，并把上部結構的各種荷載傳至下部結構。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構組成。支座分為固定型和活動型兩種。活動支座包括單向活動支座和雙向活動支座，雙向活動支座為橋梁的水平位移提供位移的載體;單向活動支座只有單向位移的性能。固定型支座能夠承受各個方向水平載荷，為橋梁的水平承載提供保障。球型支座承載能力大，力學性能穩定，而且具有耗能少、轉動靈活、轉動反力矩小、容許轉角大、養護工作量少等特點，受到越來越多的關注。而從使用壽命來看，球型支座要優于盆式橡膠支座，盆式橡膠支座存在橡膠墊老化和應力集中的問題，而球型支座則避免了這些問題，所以球型支座是我國橋梁建設中的優選。因此，在我國鐵路橋梁中廣泛應用。

3 試驗裝置與測試

3.1 試驗裝置

試驗采用52 MN試驗機(如圖1)，其豎向最大靜態載荷為52 000 kN，動態在振幅±1 mm狀態下，最大頻率可達10 Hz。自帶6個高精度外接位移傳感器，荷載、位移精度可達1%以內。有荷載、位移兩種控制方式，能夠進行兩維動態和靜態加載，并能實現程序自動加載，實時數據監控及采集。

圖1 52 MN試驗機

3.2 試驗測試

試驗樣品:超高分子量聚乙烯板6 000 kN球型支座;

試驗測試依據:GB/T 17955—2009橋梁球型支座。

主要包括豎向承載力試驗、摩擦系數試驗、轉動性能試驗和水平承載力試驗。

3.2.1 豎向承載力試驗

將樣品安裝于試驗機中心，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位移傳感器(DC5，DC6)。預壓:先對樣品施加設計荷載3次，然后正式加載3次。以設計荷載的0.5%(30 kN)作為初始荷載，對位移傳感器清零，豎向以均勻的速度施加1.5倍的設計荷載9 000 kN于支座上，然后卸載，記錄設計荷載(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—盆環徑向變形曲線

3.2.2 摩擦系數試驗

兩個樣品按雙剪組合互疊在一起，上下對稱安裝于試驗機受力中心，豎向加載設計荷載6 000 kN于支座上，并保持不變，預壓1 h，然后正式加載。水平力加載于兩個樣品的中間板上，直至支座開始滑動，計算初始摩擦系數。試驗連續加載5次，計算第2次到第5次的平均滑動摩擦系數，作為支座的實測摩擦系數，見表1。

表1 整體式與分片式耐磨板球型支座水平摩擦試驗對比

3.2.3 轉動性能試驗

兩個樣品按雙剪組合互疊在一起，上下對稱安裝于試驗機受力中心，在支座豎向加載6 000 kN荷載，并保持不變，轉動作動器頂起加載橫梁，以5 kN/min的速度施加轉動力矩，直至支座發生轉動，記錄發生轉動瞬間的最大荷載，計算試驗支座轉動力矩，試驗連續進行3次，取3次平均值作為轉動性能力矩結果，見表2。

表2 整體式與分片式耐磨板球型支座轉動試驗對比結果

3.2.4 水平承載力試驗

將支座安裝于試驗機受力中心，在支座豎向加載50%設計荷載3 000 kN，用水平承載力的20%(120 kN)預推，反復進行3次后，正式加載。先將支座豎向加載50%設計荷載3 000 kN，橫向以設計水平力的0.5%(3 kN)作為初始荷載，待設計水平力達到90%(540 kN)時，再將豎向承載力加至設計荷載6 000 kN，然后將水平承載力加至設計水平承載力的1.2倍(720 kN)，保載3 min后卸載，見表3。

表3 整體式與分片式耐磨板球型支座水平承載試驗對比

4 整體式和分片鑲嵌式耐磨板球型支座試驗分析

4.1 兩種球型支座豎向承載力試驗對比

表4試驗結果表明，兩種結構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，而盆徑變形相差無幾，多年大量的試驗表明豎向變形都處于這種趨勢。其主要原因可能是由于兩種耐磨板結構、工藝的差異所致。整體式耐磨板是一次性壓模成型，相對要平整，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，不應有脫空現象。否則兩層耐磨板高低不平，使之產生彈性變形，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對比

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試驗對比

表1試驗結果表明，兩種結構支座摩擦系數存在較大差異，分片鑲嵌式比整體式耐磨板球型支座摩擦系數要大，多年大量的試驗數據表明摩擦系數都處于這種趨勢。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構和工藝的差異所致。襯板上的分片式耐磨板處于一個不完整的平面，增加了耐磨板壓應力，以致于摩擦系數會大于整體式耐磨板球型支座。

4.3 兩種球型支座轉動試驗對比

表2試驗結果表明，兩種結構支座轉動力矩存在較大差異，分片鑲嵌式比整體式耐磨板球型支座轉動力矩要大，多年大量的試驗數據表明轉動力矩也都處于這種趨勢。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構和工藝的差異所致。在轉動過程中，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，其性質與水平摩擦試驗相同，其區別是水平摩擦是一個滑動面，而轉動是兩個摩擦面，所以通常在同一組樣品中，轉動摩擦系數要大于水平摩擦系數。由于結構、工藝的差異，襯板平面分片式耐磨板處于一個不完整的平面，球面分片式耐磨板與襯板球面沒有完全貼合，出現脫空現象，其增加了耐磨板壓應力，以致于轉動力矩會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對比

從表3試驗結果可見，兩種結構支座水平承載試驗結果相同，與以往大量的試驗數據也是一致的。水平承載試驗主要是測試支座承受橫向力的能力，與耐磨板采取什么形式沒有直接關系。

5 結語

球型支座耐磨板采用分片鑲嵌式或整體式對其力學性能有較大的影響，而對水平承載力無明顯影響。雖然分片鑲嵌式球型支座在加工成形時有其獨特的優點，但從力學性能來看，球型支座耐磨板采用整體式要優于分片鑲嵌式。

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

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

[3]莊軍生，張士臣.球型支座的試驗研究[C]//混凝土及預應力混凝土論文集.北京:中國鐵道科學研究院，1990.

[4]臧曉秋.大噸位和大位移球型支座設計[J].鐵道建筑，2009(4):1-3.

[5]劉岳兵，王少華，何維，等.120 MN橋梁支座試驗機新型機架結構設計[J].鐵道建筑，2010(8):21-23.

[6]黃茂忠，張松琦，張遠慶.可調高雙柱面支座的設計與試驗研究[J].鐵道建筑，2007(2):33-35.

[7]王潤凱，張立軍.錨栓折斷的弧形支座加固方法[J].鐵道建筑，1997(11):22-24.

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。

(責任審編 白敏華)