鐵路橋梁新型球型鋼支座防風沙試驗研究

宋曉東 陳 列 薛 鵬 鐘洪軍

(1.西南交通大學， 成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；3.成都亞佳工程新技術開發有限公司， 成都 610083)

我國的西北戈壁是由粗砂、礫石覆蓋在硬土層上形成的一種荒漠地形，其地表是由黃土和稍小粒徑的砂石混合組成的，比例大概為1:1，戈壁灘上還分布有少量的植被。當風力較小時，風吹起的大多是塵土，風力較大時則會出現風挾沙的現象[1]。長時間的沙塵天氣會使鐵路橋梁支座結構性能退化，甚至有可能導致支座功能失效。球型支座因具有使用壽命長、承載力大、轉動靈活、可適應梁端大轉角和大位移等優點而得到廣泛應用[2]。對于普通球型鋼支座來說，風沙侵襲將細小沙礫帶入滑動摩擦副和轉動摩擦副，當少量沙塵聚集在摩擦副時，會加速耐磨板的磨損，最終導致支座摩擦副失效；當大量沙塵聚集在摩擦副時，會導致摩擦系數急劇增加，從而導致支座喪失滑動能力。因此，亟需開發一種具有防風沙功能的新型橋梁支座來滿足運營要求。

1 球型支座

1.1 普通球型鋼支座

國內某型號的普通球型鋼支座結構如圖1所示。

圖1 普通球型鋼支座結構示意圖

該支座主要由上支座板(含平面不銹鋼板)、防塵罩裝置、平面耐磨板、球冠襯板(含球面不銹鋼板)、球面耐磨板、下支座板等部件組成，雖然設置有防塵罩裝置，但沒有完全密封，風力較大并夾雜大量沙石時，風沙極易進入支座內部，且其防塵罩裝置材料為橡膠，受風沙侵蝕時容易磨損，使用壽命受風沙的影響明顯。

1.2 新型球型鋼支座

新型防風沙球型鋼支座結構如圖2所示，主要包括支座上支座板、平面耐磨板、球冠襯板、轉動塊、球面耐磨板、彈性圍板、下支座板和調平螺栓等結構。針對沙塵暴特點，新型球型鋼交座在支座四周設置全密封彈性包圍。全密封彈性包圍采用新型聚氨酯材料，使支座在位移過程中內部始終保持密封狀態。支座滑動板側面不銹鋼板與底面不銹鋼板一體成型，防止因粉塵聚集導致的摩擦性能失效，同時保證支座具有優異的受力性能。

圖2 防風沙球型鋼支座結構示意圖

2 試驗方案

2.1 整體設計

支座本體采用 3 000 kN具有防風沙性能的鐵路橋梁新型球型鋼支座，常規試驗按TB/T 3320-2013《鐵路橋梁球型支座》[3]進行。目前支座風沙試驗尚無規范或指導標準可循，因此，本文根據支座設計目的自行設置符合使用環境的試驗方法。

試驗采用氣流挾沙噴射法模擬風沙環境開展球型鋼支座防風沙研究。試驗系統由強力鼓風系統、落沙系統(可控制下沙速率和存儲沙粒)、防護系統和沙塵回收系統組成,如圖3所示。試驗的風力來源為強力鼓風機和喇叭口管道，其中鼓風機為風源，喇叭口管道起到風力加強的作用。在試驗中，強力鼓風機的吹風角度可根據試驗要求的噴沙方向進行調整。沙塵的濃度可通過落沙裝置實現，落沙裝置由內漏斗形儲沙箱、支架、漏沙導管和漏沙槽組成，通過調節漏沙導管達到相應的沙塵濃度。沙塵回收裝置由集沙板和移動儲沙箱組成，沙塵落到集沙板后，通過集沙板回流至移動儲沙箱，從而完成沙塵的回收。

圖3 風沙試驗裝置圖

2.2 試驗設備

試驗所使用的試驗設備和儀器如表1所示。

本試驗采用風速為20 m/s，軸流式風機出口實測風速為13 m/s，因此，從軸流風機送出的風不能直接去吹落下來的沙塵，需采用設備將風力提升至支座實際工作環境下的風力大小，從而滿足試驗的正常開展。風機出口直徑為0.815 m，根據不可壓縮流體流動的連續性方程，可得：

表1 主要的試驗設備及儀器表

(1)

再根據面積公式，可得出風口直徑：

(2)

式中：v1——軸流風機出口的風速；

v2——喇叭口出口的風速；

A1——軸流風機出風口面積；

A2——喇叭口送風袋出口面積；

d2——喇叭口管道出口直徑。

根據以上計算，可確定風力加強設備的尺寸大小，喇叭口的尺寸參數如表2所示。

表2 喇叭口管道尺寸參數表

表面粗糙度測量采用T1000A型便攜式表面粗糙度測量儀，其取樣長度為0.25 mm/0.8 mm/2.5 mm，量程為±50 μm/±25 μm/±10 μm，最小分辨率為0.005 μm，評定長度為N倍取樣長度(N=1，2，3，4，5)。

2.3 試驗環境模擬

風沙試驗要符合支座設計的使用環境，可從試驗風速、試驗沙塵和試驗時間3個方面進行控制，模擬支座的真實使用環境。

2.3.1風速模擬

由JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風設計規范》[4]可知，西北地區50年重現期下的最大風速值多數分布于20～ 30 m/s之間，強沙塵暴的風力等級大于9級，風速大于20 m/s，弱沙塵暴的風力等級小于6級[5]。試驗選取強沙塵暴作為實驗條件，風速為20 m/s。

2.3.2沙塵模擬

沙塵濃度是表征沙塵暴強度的一個重要參數，沙塵濃度是指在1次沙塵暴發生時出現的最大濃度。根據現有研究結果[6]，基于顆粒物濃度的沙塵天氣分級如表3所示。試驗選取強沙塵暴作為試驗條件。

表3 基于顆粒物濃度的沙塵天氣分級表(mg/m3)

試驗過程中通過控制下沙率來模擬新疆百里風區的沙塵濃度。根據流體力學中定義，將風沙流看作連續介質，風沙流的流量Q表達式為：

Q=Aν

(3)

式中：Q——流體的流量，試驗中為輸沙率；

A——過流橫截面面積，即將風沙流看做連續均勻的介質且每顆沙子保持同一速度，當風沙出口至試件表面距離一致時，沙流沖擊到試件表面的面積；

ν——試件表面的風速。

沙塵濃度表達式為：

(4)

式中：S——試驗挾沙氣流的沙塵濃度；

M——下沙率。

試驗通過沙箱底部沙量控制閥控制下沙率，從而控制試驗過程中的沙塵濃度，本次試驗采用的下沙率為20 g/min(理論計算結果)。

沙粒粒徑是表征沙塵暴強度的重要參數。根據一般規律，離地表越高，細顆粒的含量越多，沙粒主要為懸浮狀態；反之，越接近地表，則沙粒直徑越大。風沙運動的起沙基本方式有懸移、躍移和蠕移3種。蠕移的沙粒直徑范圍為500～1 000 μm，由于沙粒太重，只能在表層滾動移動，不能進入風中。躍移顆粒的直徑范圍為100～500 μm，當起動風速為5 m/s時，便可發生躍移。懸移粒徑的直徑通常小于100 μm，這些顆粒容易被大風帶到空中懸移，從而被風輸送，有時輸送距離會很大。根據烏魯木齊鐵路局提供的資料并結合支座使用環境，選取新疆百里風區離地面9 m處沙粒粒徑分布情況(如表4所示)作為試驗條件。

表4 新疆百里風區離地面9 m處沙粒粒徑分布情況表

2.3.3試驗時間模擬

根據陶健紅[7]西北地區各月區域平均沙塵日數的研究成果，得出其年沙塵日數為37.8 d。根據鄭廣芬等人[8]的研究成果可知，近年來西北地區東部沙塵暴平均日持續時間最長為131 min。由計算可知，西北地區1年的沙塵天氣總時間為82.53 h。按照每5 a的周期計算，室內每天的試驗時間為9 h，試驗總時間約為1.5月。

3 試驗結果分析

3.1 磨蝕性能分析

采用目測法檢測兩種支座的外觀質量，采用測量工具對兩者的幾何尺寸變化情況進行檢測。經觀察，試驗結束后，兩種支座的外觀幾何尺寸變化不明顯，說明風沙并不會對支座幾何尺寸產生明顯影響。

使用表面粗糙度測量儀對試驗后兩種支座的彈性圍板進行測量，最大磨蝕深度(Rv)測量結果如表5所示。

表5 彈性圍板最大磨蝕深度(um)

從表5可以看出，防風沙支座彈性圍板最大磨蝕深度為1.71 um，根據耐嚴寒防沙塵球型支座迎風側擋板最大磨蝕深度Rv的擬合公式，此種支座最大磨蝕深度大于1 mm時的時間為30 a，最大磨蝕深度大于2 mm的時間為37 a(防風沙型擋板厚度為2～3 mm)。普通支座圍板最大磨蝕深度為2.31 um，根據擬合公式，此種支座磨蝕深度大于1 mm時的時間為25 a，最大磨蝕深度大于2 mm時的時間為30 a。

3.2 風沙侵入程度分析

將球型支座外表面附著的沙塵用清掃工具清除干凈，采用工具將支座開啟，稱量支座內的風沙侵入量，結果如表6所示。

表6 球型支座沙塵侵入量統計表

從表6可知，防風沙支座開啟檢查時，風沙侵入量為0 g，故支座基本不會因沙塵侵入而失效；普通支座3 a開啟檢查時，球面不銹鋼板上表面的風沙量為6.17 g，下支座板滑動面的風沙量為7.25 g；5 a開啟檢查時，球面不銹鋼板上表面的風沙量為11.39 g，下支座板滑動面的風沙量為13.31 g，故較易發生沙塵侵入。

3.3 支座失效分析

試件在風沙試驗完成后，即按照TB/T 3320-2013《鐵路橋梁球型支座》附錄D要求進行摩擦系數試驗，試驗結果如表7所示。

表7 球型鋼支座摩擦系數表

TB/T 3320-2013《鐵路橋梁球型支座》 5.1.4規定：常溫型支座摩擦系數應小于等于0.03，耐寒型支座摩擦系數應小于0.05。從試驗結果可知，防沙塵支座摩擦系數仍滿足要求，普通支座在加速時間為3 a時，摩擦系數為0.033，在常溫地區使用時已失效；加速時間為5 a時，摩擦系數為0.053，在嚴寒地區使用時已失效。

4 結論

本文通過對新型球型鋼支座開展室內風沙侵蝕加速試驗，模擬支座在西北風沙地區5 a的風沙侵蝕情況，并與普通球型支座進行對比試驗，得出結論如下：

(1)防沙塵新型球型支座在5 a的沙塵環境中，支座擋板的最大磨蝕深度Rv為1.71 μm，風沙對其表面的磨蝕程度較普通球型支座要小。

(2)防沙塵新型球型支座的防風沙性能好，支座開啟檢查時風沙侵入量為0 g，而普通球型支座球面不銹鋼板上表面有大量風沙侵入。

(3)防沙塵新型球型支座在5 a期內摩擦系數沒有明顯變化，而普通球型支座在5 a時支座已失效。