CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座調高試驗研究

胡宇新,盧瑞琳,郭紅峰,蔣瑞秋

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

我國客運專線建設中廣泛采用了無砟軌道技術,這對橋梁基礎沉降控制提出了更嚴格的要求。如何可靠快捷地解決橋梁基礎沉降問題是客運專線無砟軌道技術應用必須解決的課題。通過對CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座試驗性研究,可以看出采用液壓調高盆式橡膠支座是一種解決橋梁基礎沉降問題的方便、可靠方法。

1 CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座調高原理和優(yōu)點

1.1 液壓調高方式與墊板調高方式比較

目前國內外已采用過的支座調高方案主要有墊板調高、螺旋調高、楔塊調高、液壓調高等4種方式,通過在支座頂部或底部加墊鋼板的墊板調高方式是目前國內外最常用也是最簡便實用的方案；目前在我國客運專線使用的盆式橡膠支座要求都具有墊板調高功能。然而,墊板調高方式雖然簡單,但因為每次調高時需要根據(jù)調高高度另外加工鋼墊板,并且加工鋼墊板時需要與已有支座相關尺寸配合加工,否則會導致調高鋼板裝不上；另外每次實施墊板調高時需先使用千斤頂將梁頂起后再將加工好的調高鋼墊板插入支座和梁底之間,然后還需要擰緊支座錨固螺栓,調高操作時需要在墩臺上多人配合,因此墊板調高方式在具體組織實施時會帶來進度和施工安全保障上的很多困難。而液壓調高方式可以很好地避免墊板調高方式帶來的上述不便。液壓調高的原理是用高壓注射設備向密閉的支座鋼盆內注入填充液態(tài)彈性材料,使支座上板和梁底抬高從而達到調高目的,其原理類似油壓千斤頂。注射進入支座鋼盆內的填充液態(tài)彈性材料在一定的時間內(可以根據(jù)實際需要調節(jié))可以快速固化,固化后材料可以可靠地承受橋梁荷載。從調高原理可以發(fā)現(xiàn)，液壓調高方式具有可以實現(xiàn)無級調高、持荷調高、調高操作簡便安全，無需千斤頂頂梁、調高時間短等眾多優(yōu)點,同時,液壓調高方式在支座調高的同時還可以根據(jù)調高設備壓力表上的壓力顯示通過計算達到實測支座實際受力的目的。

1.2 CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座調高原理和優(yōu)點

圖1 CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座調高示意

CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座是鐵道第四勘察設計院引進意大利ALGA公司先進成熟技術研發(fā)的一種適應國內施工特點的新型液壓調高支座。其調高原理為在盆式橡膠支座鋼盆和承壓橡膠墊之間注入填充液態(tài)彈性材料,抬高承壓橡膠墊在底盆中的位置從而抬高支座上板和橋梁上部結構達到調高目的。CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座具體結構如圖1所示,支座調高注射通道加工在鋼盆側壁和底部,而且可根據(jù)需要在鋼盆內加工出多組注射通道從而達到支座多次調高目的；外部調高設備通過精密的管螺紋與支座注射通道聯(lián)接,在外部調高設備與CKPZ-T液壓調高支座之間裝有單向閥,在調高完成后及時關閉單向閥可以確保注射入支座鋼盆內部的填充液態(tài)彈性材料在固化的過程中不會泄漏,同時單向閥還可以確保調高后能及時拆除外部調高設備進行清洗,以保證填充液態(tài)彈性材料不在外部調高設備內固化,確保外部調高設備的重復使用。CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座利用承壓橡膠墊豎向受壓后會發(fā)生徑向變形貼緊鋼盆側壁，并且承壓橡膠墊給予鋼盆側壁的壓力與其豎向受力完全相同，兩者之間維持動態(tài)平衡的原理來進行密封,可以可靠地防止支座調高時填充液態(tài)彈性材料從承壓橡膠墊和鋼盆側壁之間泄漏。從以上可以看出,CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座除具有一般液壓調高支座優(yōu)點外，還具有結構簡單、與普通盆式支座相比成本增加不多、可實現(xiàn)多次調高、調高安全可靠不泄漏等優(yōu)點,可很好地滿足實際工程需要。

2 CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座試驗室調高試驗

2.1 試驗基本情況介紹

為了研究CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座的調高工藝,驗證支座調高工藝的可靠性和支座性能的可靠性,分別試制了豎向承載力為1 750 kN的調高支座和豎向承載力為6 000 kN的CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座,填充液態(tài)彈性材料分別采用了環(huán)氧樹酯材料和聚氨酯材料,在橋梁支座專用檢測設備400 t試驗機和5 200 t試驗機上進行了兩種型號調高支座的調高試驗和支座性能檢測。

2.2 主要試驗內容

客運專線盆式橡膠支座相關技術規(guī)范《鐵路橋梁盆式橡膠支座》(TB/T2331—2004)、《客運專線橋梁盆式橡膠支座暫行技術條件》(科技基(2005)101號)、《客運專線橋梁盆式橡膠支座暫行技術條件補充規(guī)定》(科技基(2007)97號)只對普通盆式橡膠支座的型式試驗要求做了規(guī)定,但對液壓調高盆式橡膠支座的試驗要求沒有明確規(guī)定。根據(jù)研發(fā)單位鐵道第四勘察設計院相關技術要求,考慮支座使用工況和支座調高前后都必須具備支座正常使用功能的基本要求,此次調高支座主要進行了如下試驗：(1)嚴格按照《鐵路橋梁盆式橡膠支座》(TB/T2331—2004)要求進行調高試驗前支座的性能試驗,包括支座豎向承載力試驗、支座摩擦系數(shù)試驗、支座壓轉試驗,要求調高前支座各項性能滿足標準要求；(2)按照50%支座設計豎向載荷、100%支座設計豎向載荷條件下分別進行支座調高試驗,要求在上述兩種豎向荷載下支座可以方便快捷的調高到設計高度,在調高過程中不允許任何的填充液態(tài)彈性材料的泄漏發(fā)生,同時要求在規(guī)定的時間內注射入調高支座鋼盆內的填充液態(tài)彈性材料完成固化；(3)嚴格按照《鐵路橋梁盆式橡膠支座》(TB/T2331—2004)要求進行調高試驗后支座的性能試驗,包括支座豎向承載力試驗、支座摩擦系數(shù)試驗、支座壓轉試驗,要求調高后支座各項性能滿足標準要求；同時試驗后打開支座檢查，要求支座各部件以及固化后的填充彈性材料無任何損壞。

2.3 試驗結果

CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座試驗室試驗情況見圖2～圖5,1 750 kN支座、6 000 kN支座調高前后試驗數(shù)據(jù)對比見表1。

圖2 1 750 kN支座調高試驗

圖3 6 000 kN支座調高試驗

圖4 1 750 kN支座調高后支座承壓試驗和壓轉試驗后填充環(huán)氧樹酯情況

圖5 6 000 kN支座調高后支座承壓試驗和壓轉試驗后填充聚氨酯情況

表1 1 750 kN支座、6 000 kN支座調高前后試驗數(shù)據(jù)對比

通過以上試驗可以發(fā)現(xiàn)，1 750 kN型號和6 000 kN型號CKPZ-T液壓調高支座在50%支座設計豎向載荷、100%支座設計豎向載荷條件下，均可以通過向支座底盆內部注射填充環(huán)氧樹酯和填充聚氨酯的方式方便地實現(xiàn)調高目的；調高過程中填充環(huán)氧樹酯和填充聚氨酯沒有任何泄漏情況發(fā)生；調高后支座功能正常與調高前基本無變化,完全滿足相關標準要求；調高過程中注入支座底盆的填充環(huán)氧樹酯和填充聚氨酯固化情況良好,在支座承壓試驗和壓轉試驗后檢查固化后的填充環(huán)氧樹酯和填充聚氨酯無任何破損,支座其余部件在試驗過程中也無任何破壞。

3 CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座工地現(xiàn)場調高試驗

隨著國內對液壓調高支座的認識和研究不斷加深,液壓調高支座的優(yōu)點也逐漸被各方接受,目前液壓調高支座已廣泛應用于我國客運專線建設,如CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座已成功應用于武廣客運專線、滬寧城際鐵路、福廈鐵路、廣珠城際鐵路、京滬客運專線、滬杭客運專線等,特別是滬杭客運專線全線采用了7 000多顆CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座。一直以來液壓調高支座各種試驗、研究工作一般多在試驗室進行,限于各種客觀條件約束,液壓調高支座實橋調高試驗研究很少,隨著液壓調高支座在客運專線的廣泛應用,其實橋調高操作的安全性、方便性、可靠性究竟怎樣越來越受到各方關注,鐵道部工管中心于2008年專門下發(fā)了《關于認真做好客運專線橋梁支座調高試驗工作的通知》(工管技(2008)73號),要求各相關設計單位、支座生產廠家組織進行液壓調高支座的實橋調高試驗，以驗證液壓實橋調高的可操作性和可靠性。根據(jù)鐵道部要求，武廣鐵路客運專線公司于2008年10月份組織支座設計單位鐵道第四勘察設計院、支座生產單位株洲時代新材料科技股份有限公司、支座安裝單位中鐵三局在武廣客運專線中鐵三局衡陽柏樹梁廠進行了CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座的實梁調高試驗。

此次實梁調高試驗在梁廠1孔預制好的32 m簡支梁進行(圖6),試驗支座為1孔6 000 kN型號的CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座,試驗支座安裝在梁底預埋鋼板和梁廠承梁墊石之間,試驗時選取32 m簡支梁一端的2個支座同時進行調高操作,分別由2套調高設備和2套高度監(jiān)控裝置(數(shù)顯百分表)進行試驗,試驗時控制2個支座上升高度差在2 mm之內,2支座設計調高高度均為20 mm。實梁調高過程中兩支座均能順利調高到設計高度20 mm,時間持續(xù)約20 min,整個調高過程中無任何泄漏發(fā)生,調高完成后6 h拆除打開支座檢查,填充環(huán)氧樹酯固化情況良好無損壞,支座其余部件無損壞。將經過實梁調高試驗后的支座在試驗室按照鐵標《TB/T 2331—2004》要求進行支座豎向承載力試驗、支座摩擦系數(shù)試驗、支座壓轉試驗,試驗結果完全滿足標準要求,實橋調高試驗取得成功。但此次實橋調高試驗也暴露出了一些問題,如2個支座采取2套調高設備的操作同步協(xié)調問題，由于填充環(huán)氧樹酯固化后理論體積收縮率與實際值偏差導致最后實際調高高度(19.8 mm)與設計調高高度(20 mm)的偏差問題，由于試驗時溫度較低導致填充環(huán)氧樹酯實際固化時間(6 h)與理論值(3 h)偏差較大問題等,這些問題都需要在今后進一步的研究時予以解決,才能確保今后線路實際運營調高操作時的方便、快捷、高效。

圖6 武廣客運專線實梁CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座調高試驗

4 CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座調高工藝

經過大量的支座試驗室相關試驗以及實橋調高實踐我公司摸索總結相關經驗,制定了CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座實橋調高工藝和相關注意事項,主要內容如下。

(1)實橋調高前準備：①檢查橋梁、支座工作狀態(tài)；②計算支座調高量；③確定支座調高方案。

(2)支座調高前準備：①安裝調高專用設備和其他輔助設施；②連接各管路,確保接頭無泄漏；③啟動調高設備,仔細觀察各部是否正常運轉；④根據(jù)支座調高量以及要求的固化時間計算所需填充聚氨酯或環(huán)氧樹酯各單料質量,按相關規(guī)定比例配料。

(3)施工操作要點：①各管路排出空氣后,再安裝與支座連接的接頭；②調高過程中,隨時檢查同一墩臺上相鄰支座調高過程的同步性,避免產生過大的高度差(一般情況下不超過2 mm)。同時應隨時觀察調高設備壓力表,了解各支座受力狀態(tài),通過高度測量裝置及時了解調高情況。③調高完成確認梁體高程和支座承載力滿足要求后,先關閉外部單向閥后再關閉調高設備停止工作,以防止填充聚氨酯或環(huán)氧樹酯從支座內部擠出。④支座調高結束后應及時拆除連接管路,清除調高設備內剩余填充聚氨酯或環(huán)氧樹酯,并用專用溶劑清洗各設備型腔,防止填充聚氨酯或環(huán)氧樹酯固化在調高設備內。

(4)注意事項：①填充聚氨酯或環(huán)氧樹酯須貯存在干燥的密封桶內,防潮濕；施工過程中,避免水侵入。②填充聚氨酯或環(huán)氧樹酯配料時兩單體料混合后應充分攪拌使其混合均勻；料量要充足適當,確保一次壓注即可滿足調高要求而又不浪費。特別要注意考慮填充聚氨酯或環(huán)氧樹酯固化后的體積收縮比問題。③施工過程中應及時注意觀察調高設備上的壓力表顯示，以防止注射壓力異常發(fā)生危險。④調高結束應及時清理工作場地。

(5)調高設備選擇：①要求最大注射壓力大于30 MPa,壓力提升快；注射壓力穩(wěn)定持久,可連續(xù)工作；②注射壓力可顯示；③體積小、質量輕,便于攜帶,便于野外操作；④設備注射通道拆裝方便,利于清洗；⑤價格適中,性價比好。

5 CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座調高材料

液壓調高支座主要是利用注射填充液態(tài)彈性材料來實現(xiàn)調高目的,同時注射進入支座底盆的填充液態(tài)彈性材料固化后將成為支座的一部分,與支座一起共同承擔橋梁上部結構的荷載,因此填充液態(tài)彈性材料的選用很重要,其各項性能將直接影響液壓調高支座的操作方便性、安全性和可靠性。一般注射填充液態(tài)彈性材料要求有較好的流動性,有較短的固化時間并且固化時間可調；要求有很好的化學穩(wěn)定性,不能與橡膠、金屬材料、硅油脂等支座部件發(fā)生化學反應,要求有良好的力學性能,能可靠地承受橋梁載荷等要求。CKPZ-T液壓調高支座填充液態(tài)彈性材料目前有填充聚氨酯和填充環(huán)氧樹酯兩種材料,其性能要求見表2。

表2 調高用填充聚氨酯、環(huán)氧樹酯材料性能

分別對填充聚氨酯和填充環(huán)氧樹酯2種材料性能進行了實測,對2種材料注射入支座底盆固化后的樣品進行了本體取樣試驗,試驗數(shù)據(jù)見表3，表4。

表3 調高用填充聚氨酯材料性能試樣實測結果

表4 調高用填充環(huán)氧樹酯材料性能實測結果

根據(jù)支座試驗室試驗和實橋調高試驗情況和以上材料實測結果可以發(fā)現(xiàn)，填充聚氨酯和填充環(huán)氧樹酯兩種材料可以很好的用于CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座調高操作,同時這兩種材料采購方便,價格適中,質量穩(wěn)定,因此可以很好地應用于橋梁液壓調高實際工程。

6 結語

隨著對液壓調高支座研究的不斷深入以及大量的工程運用驗證,采用液壓調高支座已成為解決橋梁基礎沉降問題的有效方法,特別是對于線路經過軟土地基區(qū)段較長且橋梁所占比率較大的無砟軌道客運專線,采用液壓調高支座經濟效益和社會效益更明顯。經過大量試驗驗證CKPZ-T液壓調高盆式橡膠支座是一種結構簡單、調高操作簡便、安全、快捷、性能可靠的液壓調高支座,可以很好的滿足我國客運專線建設的需要。同時,對液壓調高支座用填充液態(tài)彈性材料的工藝性今后需進行更深入的研究,如實際固化時間、體積收縮率的確定和控制等,以便于液壓調高支座能更好的應用于工程實際。

[1]科技基(2005)101號)，客運專線橋梁盆式橡膠支座暫行技術條件[S].

[2]科技基(2007)97號，客運專線橋梁盆式橡膠支座暫行技術條件補充規(guī)定[S].

[3]TB/T2331—2004，鐵路橋梁盆式橡膠支座[S].

[4]張士臣.調高支座在客運專線橋梁上應用的研究[J].鐵道工程學報,2004(S1)．

[5]李利方.客運專線橋梁調高支座新技術試驗性研究[J].鐵道標準設計,2010(1)．

[6]張士臣,臧曉秋,莊軍生，等.填充聚氨酯調高盆式橡膠支座[J].鐵道工程學報,2007(S1)．