劉岳兵，王少華，何 維，王廣超，劉昕銘

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程研究所，成都 610031)

橋梁支座是橋梁結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部分［1］。支座失效，將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失效。如果支座選用不當(dāng)，或設(shè)計(jì)不合理，其后果將在橋梁上部結(jié)構(gòu)或下部結(jié)構(gòu)中反映出來，造成上部或下部結(jié)構(gòu)的破壞。隨著橋梁建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，大型和特大型橋梁支座的應(yīng)用越來越多，鐵道部先后提出了盆式橡膠支座試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、球型支座試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［2-3］。目前國內(nèi)外都沒有大型支座試驗(yàn)機(jī)(≥60 MN)，而大型橋梁支座的研發(fā)、生產(chǎn)檢驗(yàn)和檢測又迫切需要大型支座試驗(yàn)機(jī)。因此，設(shè)計(jì)研發(fā)用于大噸位支座的試驗(yàn)機(jī)具有重大實(shí)際意義。

1 橋梁支座試驗(yàn)機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前支座試驗(yàn)設(shè)備主要是用于驗(yàn)證中、小噸位支座的強(qiáng)度、剛度是否足夠，很難系統(tǒng)地試驗(yàn)、研究大噸位支座的各項(xiàng)性能。現(xiàn)階段國內(nèi)最大球形支座設(shè)計(jì)載荷已達(dá)180 MN，國內(nèi)只有株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司于2006年從意大利引進(jìn)的最大噸位為52 MN的支座試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示，無法滿足大噸位支座的試驗(yàn)要求。某支座生產(chǎn)企業(yè)順應(yīng)鐵路和橋梁建設(shè)的發(fā)展，于2008年初決定研制120 MN支座試驗(yàn)機(jī)，以填補(bǔ)國內(nèi)外的空白。經(jīng)過西南交大和該企業(yè)技術(shù)人員一年多的努力工作，該試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)已初步完成，即將是世界上最大噸位的橋梁支座動(dòng)靜態(tài)加載試驗(yàn)機(jī)。

2 120 MN橋梁支座試驗(yàn)機(jī)功能介紹

圖1 52 MN試驗(yàn)機(jī)主機(jī)

所研制的120 MN支座試驗(yàn)機(jī)是大型、三維加載試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，是專門用于橋梁支座研發(fā)、生產(chǎn)檢測檢驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)，適用于各種大噸位橋梁支座的性能試驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)能進(jìn)行各種橋梁支座的靜態(tài)垂向承載試驗(yàn)、靜態(tài)壓轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)、靜態(tài)水平承載試驗(yàn)和水平摩擦性能試驗(yàn)等，也能進(jìn)行橋梁支座產(chǎn)品的垂向動(dòng)態(tài)性能測定、產(chǎn)品的剛度、阻尼和疲勞等性能試驗(yàn)，還能進(jìn)行橋梁大位移支座的水平及垂向動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)測定。試驗(yàn)機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)機(jī)動(dòng)靜態(tài)主要性能參數(shù)

3 橋梁支座試驗(yàn)機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)方案介紹［4］

試驗(yàn)機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)是主要的受力部件，占總制造成本的比重大。不但要滿足強(qiáng)度的要求，還應(yīng)滿足剛度的要求。試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)性能，取決于機(jī)架的整體剛度。合理的機(jī)架結(jié)構(gòu)方案是本試驗(yàn)機(jī)研制的關(guān)鍵。

3.1 傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)框架式機(jī)架結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的大型壓力機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)是將上、下橫梁和兩側(cè)立柱分別制造，再用大型螺栓組合在一起，如圖2所示。這種形式的優(yōu)點(diǎn)是:技術(shù)成熟，國內(nèi)外在大型水壓機(jī)上廣泛應(yīng)用。不足是:單個(gè)零部件的重量大，制造、運(yùn)輸和安裝成本高。在螺栓連接處出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，這對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是非常不利的。

圖2 傳統(tǒng)組合框架式機(jī)架結(jié)構(gòu)

3.2 預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架是由上、下拱形梁與兩側(cè)立柱組成，外面用高強(qiáng)度鋼帶一層層纏繞預(yù)緊，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于:

1)結(jié)構(gòu)輕巧、尺寸小，抗疲勞性能好，制造容易，成本低;

2)與一般機(jī)架相比，應(yīng)力集中的部位較少。

不足在于:這種機(jī)架通常只有在縱向尺寸比較小的情況下才考慮采用;對(duì)于各個(gè)方向尺寸都較大的三維試驗(yàn)機(jī)，采用這種方案預(yù)緊效果將不能得到保證，鋼絲纏繞操作比較麻煩。

3.3 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土機(jī)架結(jié)構(gòu)

利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來做機(jī)架的研究在國外20世紀(jì)50年代就已經(jīng)開始，現(xiàn)已取得一定成效，圖4是意大利ALGA公司提出的124 MN混凝土機(jī)架結(jié)構(gòu)的方案。在我國，20世紀(jì)60年代以來，數(shù)家單位也先后研究并建造了十幾臺(tái)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的液壓機(jī)。這種結(jié)構(gòu)機(jī)架有以下優(yōu)點(diǎn):

納入標(biāo)準(zhǔn)包括以下幾方面：（1）按照文獻(xiàn)納入標(biāo)準(zhǔn)，全部14項(xiàng)研究均符合FAP的羅馬診斷標(biāo)準(zhǔn)。其中，采用羅馬Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)（28.57%），羅馬Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)10項(xiàng)（71.43%）；（2）所有研究納入的患兒年齡下限為4～8歲，上限為15～18歲；（3）3項(xiàng)研究對(duì)基線腹痛程度進(jìn)行限定，其中2項(xiàng)要求VAS評(píng)分大于25 mm，1項(xiàng)要求大于40 mm；（4）10項(xiàng)研究明確要求簽署知情同意書。

1)大量節(jié)約金屬，與鋼鐵式比較，約可節(jié)約金屬材料50% ～70%;

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架

2)降低成本，由于大型鑄、鍛件及其加工費(fèi)用昂貴，這種結(jié)構(gòu)可以節(jié)約成本也達(dá)50% ～70%;

3)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以現(xiàn)場澆筑，操作非常方便，制造周期可以縮短一半以上。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于:大截面預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)要求高，結(jié)構(gòu)體積龐大、不能拆卸搬遷等。

圖4 鋼筋混凝土機(jī)架結(jié)構(gòu)

3.4 本試驗(yàn)機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)方案

如圖5所示，新方案中試驗(yàn)機(jī)機(jī)架由四個(gè)相同的鋼結(jié)構(gòu)框架組并排組合而成，4個(gè)框架之間通過作用在立柱上的限位框和橫梁上的預(yù)應(yīng)力拉桿進(jìn)行縱向聯(lián)結(jié)，每個(gè)框架組又主要由圖中所示幾部分所構(gòu)成。結(jié)構(gòu)原理如下:一方面，定位板焊接在上下橫梁上，空心立柱插入在定位板間來支撐橫梁，這樣立柱在水平方向的自由度被定位板約束。另一方面，在立柱和橫梁接觸部分開一定尺寸的孔，使得預(yù)應(yīng)力錨具能夠通過橫梁和立柱的內(nèi)部，從而在上下兩端施加一定大小的預(yù)應(yīng)力來將橫梁和立柱緊緊壓合在一起。原則上，只要保證預(yù)壓應(yīng)力大于以后的豎向最大試驗(yàn)載荷，立柱和橫梁之間就不會(huì)脫開。同上述方案相比，該方案的主要優(yōu)點(diǎn)如下:

1)新型組合式結(jié)構(gòu)，大大減少了單個(gè)零部件的重量，給制造、安裝、運(yùn)輸、維護(hù)以及拆卸搬遷等帶來了極大的方便;

圖5 120 MN試驗(yàn)機(jī)機(jī)架模型

3)該方案機(jī)架具有較大的整體剛度，有利于液壓系統(tǒng)的布置以及試驗(yàn)精度的控制。

4 試驗(yàn)機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［5-6］

4.1 預(yù)緊力設(shè)計(jì)

試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)最大試驗(yàn)荷載為120 MN，預(yù)緊力Fy的大小可通過預(yù)緊系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，F(xiàn)y=120 MN×預(yù)緊系數(shù)。一般預(yù)緊力可取為公稱力(載荷)的1.3～1.5倍，本方案中預(yù)緊系數(shù)取為1.4。根據(jù)預(yù)緊力和鋼絞線的容許破斷應(yīng)力可計(jì)算提供此預(yù)緊力的鋼絞線總截面積，為后面選擇預(yù)應(yīng)力錨具作參考。本方案中采用55孔預(yù)應(yīng)力錨具，每根立柱和橫梁連接部分用4個(gè)錨具固定，見圖6。每個(gè)錨具上有55束鋼絞線，該型號(hào)錨具上單束鋼絞線的截面積約為140 mm2，鋼絞線的破斷應(yīng)力為1 860 MPa，初始預(yù)緊時(shí)設(shè)定為910 MPa(910/1 860≈0.49<0.50)。

圖6 預(yù)應(yīng)力錨具在橫梁上的布置示意

4.2 立柱結(jié)構(gòu)

考慮到立柱的內(nèi)部要穿過一定直徑的鋼絞線，為了保證在等量材料的情況下立柱內(nèi)部空間較大，采用正方形截面形式的空心立柱。參考相關(guān)設(shè)計(jì)要求，初步確定相關(guān)參數(shù)如下:邊長850 mm，壁厚75 mm，預(yù)緊力取為1.4倍的載荷力。該方案中立柱始終處于受壓狀態(tài)，沒有試驗(yàn)載荷時(shí)，立柱只受預(yù)緊力作用，這時(shí)立柱內(nèi)部的應(yīng)力最大。

4.3 橫梁結(jié)構(gòu)

如圖5中所示，整個(gè)橫梁結(jié)構(gòu)由四塊窄橫梁組合而成，通過墊板傳遞載荷來讓四塊窄橫梁共同承擔(dān)。由于試驗(yàn)加載時(shí)，載荷主要集中在墊板中部區(qū)域，故初步計(jì)劃中間兩塊窄橫梁各承受40 MN的載荷，兩邊橫梁各承受20 MN?？紤]到該試驗(yàn)機(jī)上日后還要進(jìn)行壓轉(zhuǎn)試驗(yàn)，到時(shí)兩端橫梁承載將較大，為安全起見，最終四塊窄橫梁均按承受40 MN載荷的條件來設(shè)計(jì)。

為了減輕重量，根據(jù)“等強(qiáng)度梁”的概念，在局部采用變截面形式，即中間部分橫梁高度高，兩端橫梁高度低。參考同類型其它壓力機(jī)的情況，確定參數(shù)如下:橫梁長度為5 500 mm，上、下底板厚度均為200 mm，梁的寬度B=1 000 mm，腹板的厚度為75 mm。

5 結(jié)論

1)提出的120 MN橋梁支座試驗(yàn)機(jī)新型預(yù)應(yīng)力機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，將是世界上最大噸位的橋梁支座動(dòng)靜態(tài)加載試驗(yàn)機(jī)機(jī)架方案。

2)該試驗(yàn)機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)新穎，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):①新型組合式鋼結(jié)構(gòu)機(jī)架，大大減少了單個(gè)零部件的重量，給制造、安裝、運(yùn)輸和維護(hù)帶來了極大的方便;②采用鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力來將橫梁和立柱緊密連接，從而在連接處不會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力集中現(xiàn)象，大大地改善了機(jī)架結(jié)構(gòu)的受力狀況，從而有利于提高其壽命;③該方案最終機(jī)架的相對(duì)變形較小，有利于液壓系統(tǒng)的布置以及試驗(yàn)精度的控制。

3)預(yù)緊力預(yù)緊方案、立柱以及橫梁的設(shè)計(jì)計(jì)算表明，此方案合理、可行。

［1］莊軍生.橋梁支座［M］.北京:中國鐵道出版社，2000.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB/T 2331—2004 鐵路橋梁盆式橡膠支座［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［3］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 17955—2009 橋梁球型支座［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［4］俞新陸.液壓機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［5］李慶華.材料力學(xué)［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2005.

［6］中華人民共和國建設(shè)部.GB50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2003.