鐵路球型調(diào)高支座的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

曾永平 楊國(guó)靜 劉海亮

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031；2.成都市新筑路橋機(jī)械股份有限公司， 成都 610031)

近年來(lái)，中國(guó)高速鐵路迅猛發(fā)展，京津、武廣、鄭西、滬寧、滬杭、京滬等無(wú)砟高速鐵路相繼開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，且橋梁在線路中所占比例較高。為確保高速鐵路行車(chē)安全性和旅客舒適性，TB 10002-2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]明確要求橋梁結(jié)構(gòu)須具有較高的平順度。然而，受溫度、收縮徐變和基礎(chǔ)不均勻沉降等因素影響，處于自然界中的橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)發(fā)生沉降變化，若不采取措施，橋梁上部結(jié)構(gòu)扭曲，出現(xiàn)支座脫空，梁體內(nèi)力重新分布，直接影響到列車(chē)動(dòng)力效應(yīng)，進(jìn)而影響旅客乘坐舒適性和安全性。

當(dāng)前鐵路客運(yùn)專(zhuān)線大量應(yīng)用了無(wú)砟軌道技術(shù)，無(wú)砟軌道扣件的調(diào)高量有限，僅為毫米級(jí)。為解決下部結(jié)構(gòu)的不均勻沉降變化，工程上常采用高度可調(diào)整支座。本文在對(duì)已有成果對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程需求，研發(fā)了一種新型楔形板調(diào)高支座，該支座構(gòu)造簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)高度的無(wú)級(jí)調(diào)整，對(duì)確保列車(chē)運(yùn)行的舒適性與安全性、減少橋梁與軌道結(jié)構(gòu)次內(nèi)力有著重要意義。

1 調(diào)高方案分析

目前支座常用的調(diào)高方式有液壓調(diào)高、螺旋機(jī)械調(diào)高和楔形板調(diào)高[2]。針對(duì)3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本文進(jìn)行了詳細(xì)的分析對(duì)比。

(1)液壓調(diào)高方案[3-4]

液壓調(diào)高方案是近幾年已經(jīng)成功在客運(yùn)專(zhuān)線上應(yīng)用的新型調(diào)高技術(shù)。該調(diào)高方案是通過(guò)在外部設(shè)置一壓力泵與支座內(nèi)部管道連接，用高壓將特殊填充材料注射到支座內(nèi)部盆腔，將嵌入底盆的盆塞(底座)頂升，填充材料在常溫下就可在盆腔內(nèi)固化成為支座的一承載部件，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)支座的高度調(diào)節(jié)。方案示意如圖1所示。

圖1 液壓填充調(diào)高方案(mm)

該方案優(yōu)點(diǎn)為：①支座本身可作為頂升元件，高度調(diào)節(jié)幅度較大；②結(jié)構(gòu)緊湊，所需操作空間小，頂升力可控。其缺點(diǎn)為：①可能發(fā)生液體泄漏現(xiàn)象，影響支座的耐久性；②只能進(jìn)行調(diào)高而不能進(jìn)行調(diào)低；③填充材料需要一定時(shí)間固化；④調(diào)節(jié)次數(shù)有限；⑤支座后期更換不方便。

(2)螺旋機(jī)械調(diào)高方案

螺旋機(jī)械調(diào)高是支座內(nèi)部加工出內(nèi)外螺紋，依靠螺紋的旋合來(lái)進(jìn)行支座的調(diào)高或調(diào)低。其缺點(diǎn)是支座調(diào)高后，所受豎向力由螺紋部分承擔(dān)，故對(duì)螺紋強(qiáng)度要求較高，同時(shí)由于螺紋間存在間隙，在長(zhǎng)期交變荷載的作用下，易產(chǎn)生疲勞問(wèn)題。因此，螺旋機(jī)械調(diào)高不能用于承載力大的支座，且須保證螺紋不會(huì)銹蝕，調(diào)高難度巨大，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 螺旋機(jī)械調(diào)高方案

(3)楔形板調(diào)高[5]

楔形板調(diào)高通過(guò)將下支座板制作成兩塊互相配合的楔形面，在一定壓力狀態(tài)下通過(guò)外力拉動(dòng)或推動(dòng)楔形板運(yùn)動(dòng)，在達(dá)到理想狀態(tài)時(shí)再鎖定調(diào)節(jié)螺母，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)支座的調(diào)高或調(diào)低要求，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 楔形板調(diào)高方案(mm)

楔形板調(diào)高方案的優(yōu)勢(shì)在于：①楔形板調(diào)高方案既可調(diào)高又可調(diào)低，原理簡(jiǎn)單，方便可行；②更換支座容易，只需對(duì)楔形板卸載調(diào)低即可；③配合液壓千斤頂可實(shí)現(xiàn)支座反力的測(cè)定；④可精確測(cè)定調(diào)高量，精度可達(dá)0.1 mm。

通過(guò)3種調(diào)高方案的比較可知，楔形板調(diào)高方案更適于鐵路橋梁結(jié)構(gòu)，不論是創(chuàng)新性還是實(shí)用性方面，都是鐵路橋梁球型調(diào)高支座的最佳調(diào)高方案。

2 球型調(diào)高支座的構(gòu)造及工作原理

2.1 球型調(diào)高支座的構(gòu)造

球型調(diào)高支座結(jié)構(gòu)主要是在普通8360、8361鐵路橋梁球型支座基礎(chǔ)上，增加了楔形調(diào)整面，并設(shè)置了調(diào)整構(gòu)件，形成無(wú)級(jí)調(diào)高。

它主要由上支座板、球冠襯板、下支座板、楔形調(diào)整板、底座板、不銹鋼滑板、豎向承壓滑板等部分組成，同時(shí)還包括錨固連接結(jié)構(gòu)和密封防塵裝置等配套構(gòu)件，其構(gòu)造如圖4所示。

1.調(diào)高鋼板; 2.上支座板; 3.平面滑板; 4.密封圈Ⅰ; 5.球冠襯板; 6.密封圈Ⅰ; 7.球面滑板; 8.下支座板; 9.楔形板組件; 10.底板; 11.套筒; 12.錨栓; 13.銘牌; 14.螺栓圖4 鐵路橋梁簡(jiǎn)支梁固定球型調(diào)高支座結(jié)構(gòu)示意圖

按結(jié)構(gòu)分為固定支座(GD)、縱向活動(dòng)支座(ZX)、橫向活動(dòng)支座(HX)和多向活動(dòng)支座(DX)4種基本型式。

2.2 球型調(diào)高支座的工作原理

(1)調(diào)高方式

下支座板平放在楔形塊平面上，底板上設(shè)置有楔形面，楔形面與楔形塊配合，形成楔形高度調(diào)整面。支座需進(jìn)行高度微調(diào)時(shí)，擰緊或擰松調(diào)整螺桿，使得楔形塊向支座內(nèi)側(cè)或外側(cè)滑移而抬高或降低支座高度，達(dá)到支座高度微調(diào)的目的。同時(shí)，通過(guò)設(shè)置支座梁底調(diào)整墊板厚度尺寸，可增大支座的高度調(diào)整范圍。

(2)縱、橫向水平力的傳遞

下支座板下側(cè)及底板側(cè)面設(shè)置有豎向?qū)驂K，將支座橫向水平力通過(guò)導(dǎo)向塊傳遞給底板并擴(kuò)散到混凝土中。

下支座板及底板縱橋向兩側(cè)均有凹槽，楔形塊置于上下凹槽中，形成了縱向剪力鍵，從而將橋梁縱向水平力傳遞給底板并擴(kuò)散到混凝土中。

(3) 楔形塊鎖止功能

楔形塊斜度為1∶15，配合面靜態(tài)摩擦系數(shù)0.15，動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)0.075，均大于斜面斜度0.067，從而形成自鎖，支座在受豎向力時(shí)楔形塊不會(huì)滑動(dòng)。同時(shí)楔形板組件中設(shè)置有螺旋鎖止裝置，支座在工作動(dòng)載作用下，楔形塊不會(huì)滑動(dòng)。

3 球型調(diào)高支座的設(shè)計(jì)

3.1 滑板材料的選擇

球型支座主體結(jié)構(gòu)由鋼構(gòu)件和高分子滑板材料組成，鋼構(gòu)件按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行防腐處理和正常的養(yǎng)護(hù)完全能夠滿足使用壽命要求，支座的使用壽命關(guān)鍵在于高分子滑板材料的承載應(yīng)力和磨耗性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。

鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2330-2013《鐵路橋梁球型支座》[6]中規(guī)定的滑板材料為聚四氟乙烯板或改性超高分子量聚乙烯板。通過(guò)對(duì)兩種滑板材料的承載應(yīng)力和磨耗性能進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的對(duì)比試驗(yàn)后，決定球型調(diào)高支座的滑板材料采用改性超高分子量聚乙烯滑板。該材料的設(shè)計(jì)容許應(yīng)力是聚四氟乙烯的2倍，耐磨性能是聚四氟乙烯的5倍以上，滿足了鐵路動(dòng)載相對(duì)較大以及高速鐵路高耐磨的要求。

3.2 球面包覆不銹鋼板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支座球冠襯板凸球面選擇采用球面包覆不銹鋼板，具有球面光潔度高，轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦系數(shù)小等特點(diǎn)，且提高了支座的耐腐蝕能力，延長(zhǎng)了支座的使用壽命。

3.3 雙層密封防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為確保支座外部防護(hù)結(jié)構(gòu)耐久、可靠，本方案采用了“聚四氟乙烯涂覆玻璃布+不銹鋼護(hù)罩”雙層密封防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)支座進(jìn)行保護(hù)。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙層密封防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

內(nèi)層采用預(yù)壓縮聚醚聚氨酯彈性體對(duì)滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦副進(jìn)行密封保護(hù)；外層采用低溫性能優(yōu)良的聚四氟乙烯涂覆布進(jìn)行防護(hù)，并在調(diào)整螺栓桿上套有塑料軟管，對(duì)螺桿進(jìn)行有效防護(hù)。該構(gòu)造具有耐高低溫性能好，工作溫度范圍廣(-70 ℃～+260 ℃)，表面摩擦系數(shù)小，絕緣性好，抗粘性好，耐腐蝕性好等特點(diǎn)。

3.4 有限元模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證支座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性，采用ANSYS有限元軟件模擬仿真了支座各零部件的受力。所有部件均用實(shí)體單元建模，單元類(lèi)型為二次四面體和二次六面體，模型如圖6所示。

圖6 支座模型圖

為模擬支座在實(shí)際工作中的受力狀況，在支座上部設(shè)置高1.5 m，長(zhǎng)8 m的梁體模型、下支座下部設(shè)置足夠大小的實(shí)體模型模擬墩臺(tái)進(jìn)行荷載傳遞，在梁體上表面施加均布荷載。楔形塊的等效應(yīng)力圖如圖7所示。

圖7 楔形塊等效應(yīng)力云圖

支座各部件計(jì)算結(jié)果表明，支座總體受力狀態(tài)良好，各主要鋼部件最大等效應(yīng)力均不超過(guò) 200 MPa，2個(gè)聚四氟乙烯滑板部件最大等效應(yīng)力均處于安全應(yīng)力值范圍，進(jìn)一步保證了支座的安全可靠性。

4 球型調(diào)高支座的調(diào)高試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證楔形板調(diào)高的可行性，開(kāi)展了實(shí)體支座調(diào)高試驗(yàn)。試驗(yàn)采用50 t液壓千斤頂，用來(lái)加載豎向力和頂推支座楔形板，并通過(guò)壓力傳感器測(cè)定支座反力，如圖8所示。

圖8 調(diào)高試驗(yàn)實(shí)物圖

4.1 楔形板自鎖功能測(cè)試

將測(cè)試支座調(diào)高至支座最大高度位置，先對(duì)支座按照50 t梯度階段加載，每階段加載完成后保持3 min，觀察楔形板是否發(fā)生位移。楔形板與支座如發(fā)生相對(duì)位移，停止試驗(yàn)。如無(wú)相對(duì)位移，進(jìn)行下一梯度階段加載，至加載400 t后保持10 min，確定楔形板與支座無(wú)相對(duì)位移，然后卸載。試驗(yàn)結(jié)果表明，楔形板與支座無(wú)相對(duì)位移產(chǎn)生，自鎖功能優(yōu)良。

4.2 調(diào)高測(cè)試

安裝50 t級(jí)壓力傳感器和液壓千斤頂。使用液壓千斤頂頂推楔形板，待支座反力達(dá)到1 t左右時(shí)保持1 min以消除間隙，間隙消除后繼續(xù)頂推楔形板，記下一定推力作用下的支座反力。之后進(jìn)行支座的調(diào)低，液壓千斤頂拉出楔形板，記錄楔形板滑動(dòng)瞬間液壓千斤頂?shù)淖x數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，支座可實(shí)現(xiàn)高度的無(wú)級(jí)雙向調(diào)整。支座調(diào)高時(shí)，水力推力為豎向力值的40%～46%。通過(guò)頂推試驗(yàn)確定系數(shù)比，可對(duì)支座的豎向力進(jìn)行估算。

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵路球型調(diào)高支座在常規(guī)球型鋼支座的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了4大技術(shù)改進(jìn)。

(1)支座摩擦副材料采用改性超高分子量聚乙烯，顯著提高了設(shè)計(jì)容許應(yīng)力和耐磨性能，滿足了鐵路動(dòng)載相對(duì)較大以及高速鐵路高耐磨的要求。

(2)支座采用了球冠襯板凸球面包覆不銹鋼板，減小了轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦因素，提高了球面耐磨層厚度和耐蝕能力，保證了支座的使用壽命。

(3)支座采用內(nèi)外雙層密封防護(hù)結(jié)構(gòu)，確保了密封防護(hù)結(jié)構(gòu)耐久、可靠。

(4)支座通過(guò)楔形塊進(jìn)行高度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了支座高度無(wú)級(jí)調(diào)高，且荷載及滑移時(shí)始終保持面接觸，解決了調(diào)整面應(yīng)力集中問(wèn)題。

綜上所述，該支座具有優(yōu)良的技術(shù)性能，且即將應(yīng)用于鄭萬(wàn)高速鐵路橋梁工程，可解決橋梁未來(lái)運(yùn)營(yíng)過(guò)程上產(chǎn)生的不均勻沉降等問(wèn)題。