宋曉東，陳 列，薛 鵬，鐘洪軍

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,四川 成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；3.成都亞佳工程新技術(shù)開發(fā)有限公司，四川 成都 610083)

隨著現(xiàn)代鐵路建設(shè)力度的加大和覆蓋區(qū)域的增加，鐵路線路逐漸由低緯度向高緯度地區(qū)延伸。新疆、內(nèi)蒙古等高緯度地區(qū)冬季寒冷，最低氣溫接近-43 ℃，夏季晝夜溫差大，且遠離海洋、氣候干燥、沙漠廣闊，是沙塵暴的多發(fā)區(qū)。因此，這些地區(qū)橋梁支座的設(shè)計不能采用普通支座，需要開發(fā)具有耐寒和防風(fēng)沙的新型橋梁支座才能滿足運營要求。常規(guī)球型鋼支座因具有轉(zhuǎn)動靈活、耐久性好等優(yōu)點已廣泛應(yīng)用于鐵路橋梁建設(shè)中[1]。在低溫環(huán)境下，現(xiàn)有球型鋼支座滑動摩擦副和轉(zhuǎn)動摩擦副中涂抹的潤滑硅脂容易凍結(jié)，且受風(fēng)沙侵入，加速了耐磨板的磨損，最終導(dǎo)致支座失效。

《橋梁球型支座》(GB/T 17955—2009)[2]和《鐵路橋梁球型支座》(TB/T 3320—2013)[3]的支座適應(yīng)溫度范圍為-40～60 ℃，不能滿足高緯度地區(qū)低溫要求。本文對我國高緯度地區(qū)的鐵路橋梁支座適應(yīng)性進行研究，通過優(yōu)化設(shè)計通用的TQZ型球型鋼支座，開發(fā)出適應(yīng)嚴寒及風(fēng)沙環(huán)境下的新型球型鋼支座，并通過一系列試驗驗證其性能。

1 支座構(gòu)造特點

國內(nèi)常用的TQZ型球型鋼支座如圖1所示，該支座滿足GB/T 17955—2009的要求，但不能滿足高緯度地區(qū)溫度變化。TQZ型球型鋼支座雖設(shè)置了防塵罩裝置，但沒有完全密封。高緯度地區(qū)，一般風(fēng)力較大并夾雜大量沙石[4]，風(fēng)沙極易進入支座內(nèi)部，而且現(xiàn)有防塵罩裝置材料多為橡膠，在晝夜溫差大和干燥的環(huán)境下容易老化失效。

1-上支座板； 2-平面耐磨板； 3-球冠襯板； 4-球面耐磨板； 5-下支座板圖1 TQZ型球型鋼支座

針對我國高緯度地區(qū)支座應(yīng)具有耐嚴寒、抗大溫差和相應(yīng)防風(fēng)沙性能，本文研發(fā)了耐寒防風(fēng)沙球型鋼支座，見圖2。該支座主要由上支座板、平面耐磨板、球冠襯板、球面耐磨板、下支座板等組成。通過上支座板與球冠襯板間的平面滑動實現(xiàn)水平滑移，通過下支座板與球冠襯板間的球面接觸實現(xiàn)轉(zhuǎn)動功能。通過設(shè)置在支座上支座板與下支座板之間的彈性圍板實現(xiàn)支座的防塵功能，保證支座的耐久性。通過設(shè)置下支座板上的調(diào)平螺栓實現(xiàn)支座在安裝時的平整度要求。

1-上支座板; 2-平面耐磨板; 3-球冠襯板; 4-轉(zhuǎn)動塊; 5-球面耐磨板; 6-彈性圍板; 7-下支座板; 8-調(diào)平螺栓圖2 耐寒防風(fēng)沙球型鋼支座

2 支座的設(shè)計

現(xiàn)有的球型支座設(shè)計與研究[5-6]為設(shè)計出滿足橋梁結(jié)構(gòu)受力要求的支座提供了指導(dǎo)意見，但常規(guī)支座在選材和結(jié)構(gòu)[7]上沒有考慮高緯度地區(qū)嚴寒、風(fēng)沙等惡劣環(huán)境，支座性能和使用壽命大大降低。高緯度鐵路橋梁球型鋼支座應(yīng)滿足嚴寒條件下支座的使用性能，因此設(shè)計的主要工作是選擇支座材料及構(gòu)造設(shè)計，并驗證其使用性能。

2.1 耐寒設(shè)計

根據(jù)嚴寒和大溫差的特點，支座上支座板、球冠襯板和下支座板鋼材采用耐寒型Q345E[8]鋼材，以保證支座的低溫沖擊性能。針對超低溫環(huán)境開發(fā)了摩擦副結(jié)構(gòu)，并在支座耐磨板儲油槽內(nèi)部填充新型高抗凍性硅脂。該新型硅脂在-50 ℃ 狀態(tài)下也不會凍結(jié)，仍然能夠保持良好的潤滑性能，保證了支座在低溫環(huán)境下的滑動和轉(zhuǎn)動性能。支座防腐涂裝根據(jù)《鐵路鋼橋保護涂裝及涂料供貨技術(shù)條件》(TB/T 1527—2011)[9]第7套涂裝體系專門研制，具有良好的耐候性能、耐干燥性能、耐低溫性能及高低溫沖擊性能。

2.2 適用性設(shè)計

針對嚴寒地區(qū)施工難度大、支座安裝不便等問題，特別是在支座調(diào)平時很難達到TB/T 3320—2013中規(guī)定的支座平置且四角高差不應(yīng)大于2 mm的要求。本文通過在支座下支座板底面設(shè)置調(diào)平螺栓(采用機械式調(diào)整)，實現(xiàn)了無極調(diào)整(即連續(xù)調(diào)節(jié)，沒有最小調(diào)節(jié)單位)。同時，在調(diào)平螺栓上配備限位器，避免因工作人員疏忽而導(dǎo)致螺栓脫落，可提高支座安裝效率。

3 試驗研究

3.1 硅脂試驗

根據(jù)《Petroleum Products and Lubricants-Determination of Cone Penetration of Lubricating Greases and Petrolatum》(ISO 2137—2007)[10]制備試驗樣品，并進行“工作錐入度”檢測；根據(jù)《Petroleum Products-Lubricating Grease-Determination of Dropping Point》(ISO 2176—1995)[11]制備試驗樣品，并進行“滴點”檢測；根據(jù)《Structural Bearings-Sliding Elements》(EN 1337-2：2004)[12]制備試驗樣品，并進行“油離度”、“氧化安定性”和“傾點”檢測。

試驗在湖南省軌道交通高分子材料及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進行，硅脂性能測試要求和測試結(jié)果見表1?？芍?，測試結(jié)果均能滿足ISO 2137—2007，ISO 2176—1995和EN 1337-2：2004規(guī)范中的技術(shù)要求。

表1 硅脂性能測試要求和測試結(jié)果

3.2 油漆試驗

根據(jù)《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》(GB/T 9286—1998)[13]制備4塊標準試驗樣品，漆膜厚度為256～311 μm。耐低溫試驗條件為-50 ℃ 靜置3 h，然后在30 min內(nèi)線性變化到23 ℃。在23 ℃環(huán)境下靜置2 h為1個循環(huán)，共進行20個循環(huán)。最后測定耐低溫后附著力；普通環(huán)境試驗條件為(23±5)℃靜置2 h，然后按照GB/T 9286—1998的要求測定附著力。

試驗在湖南省軌道交通高分子材料及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進行，油漆測試結(jié)果見表2。可知，經(jīng)過20個循環(huán)后油漆仍完好，油漆附著力達到令人滿意的0級。

表2 油漆測試結(jié)果

3.3 成品支座試驗

3.3.1 試驗準備

為了驗證支座結(jié)構(gòu)設(shè)計能否滿足高緯度地區(qū)橋梁的運行的需要，特委托湖南大學(xué)土木工程學(xué)院依據(jù)TB/T 3320—2013、歐洲標準《Structural Bearings-Spherical and Cylindrical PTFE Bearings》(EN 1337-7：2004)[14]和GB/T 9286—1998對支座進行系統(tǒng)測試。采用設(shè)計豎向反力為250 kN、支座總高為100 mm的縱向成品支座作為試件，模擬了低溫工況下支座性能試驗。

3.3.2 支座抗凍性能試驗

將試件置于-55 ℃低溫環(huán)境中15 d，取出后在1 h 內(nèi)完成支座油漆附著力試驗；再將試件置于-65 ℃ 低溫環(huán)境中96 h，取出后在1 h內(nèi)完成支座油漆附著力試驗，并查看硅脂凝固情況；最后將試件置于-75 ℃低溫環(huán)境中96 h，取出后在1 h內(nèi)完成支座油漆附著力試驗，并查看硅脂凝固情況。

試驗結(jié)果表明：在-55，-65，-75 ℃環(huán)境下，油漆涂層經(jīng)劃格試驗后，切割邊緣完全平滑，無一脫落；硅脂無凝固情況，仍保持細膩潤滑，與常溫?zé)o異。

3.3.3 支座豎向承載力試驗

將試件置于-55 ℃環(huán)境中24 h，取出后在1 h內(nèi)按照TB/T 3320—2013附錄C進行試驗。按照相同方法，分別在-65 ℃和-75 ℃時進行1次試驗。豎向承載力試驗結(jié)果見圖3。

圖3 豎向承載力試驗結(jié)果

由圖3可知：在3個溫度工況下，試件的豎向承載力幾乎沒有任何變化；在50 kN的荷載下，試件幾乎沒有豎向變形；在250 kN的荷載下，試件最大豎向變形為0.94 mm，小于支座總高的1%，滿足規(guī)范TB/T 3320—2013中5.1.1節(jié)豎向壓縮變形不大于2 mm的要求；在350 kN的荷載下，支座無損壞。

3.3.4 支座轉(zhuǎn)動力矩試驗

支座實測轉(zhuǎn)動力矩應(yīng)小于TB/T 3320—2013中規(guī)定的-40～-25 ℃ 最大摩擦系數(shù)下的計算力矩 1 675 N·m。將成品支座置于-55 ℃環(huán)境中24 h，取出后在1 h 內(nèi)按照TB/T 3320—2013附錄E進行試驗。支座實測轉(zhuǎn)動力矩為 1 530 N·m，滿足要求。

3.3.5 支座摩擦系數(shù)試驗

將試件置于(-60±5) ℃環(huán)境中24 h，取出后在1 h 內(nèi)按照TB/T 3320—2013附錄D進行試驗，規(guī)范5.1.5節(jié)中規(guī)定在-40～-25 ℃時，摩擦系數(shù)≤0.05。摩擦系數(shù)試驗結(jié)果見表3?？芍ё鶟M足規(guī)范要求。

表3 摩擦系數(shù)試驗結(jié)果

4 結(jié)論

1)高緯度地區(qū)鐵路橋梁新型球型鋼支座與普通支座力學(xué)計算原理相似，可根據(jù)國內(nèi)相關(guān)規(guī)范進行設(shè)計，以滿足國內(nèi)通用安裝圖，方便后續(xù)橋梁設(shè)計中支座的選型。

2)新型球型鋼支座滿足了高緯度地區(qū)鐵路橋梁適應(yīng)嚴寒、溫差大的特點，通過抗凍性能試驗、豎向承載力試驗、轉(zhuǎn)動力矩試驗、摩擦系數(shù)試驗，驗證了支座的可靠性滿足規(guī)范要求。

3)高緯度地區(qū)鐵路橋梁支座具有抗嚴寒和風(fēng)沙的特點，支座所選主體鋼材具有優(yōu)良的低溫沖擊性能，能適應(yīng)嚴寒的工程環(huán)境。采用高抗凍性硅脂滿足了支座在嚴寒條件下的轉(zhuǎn)動和滑動性能；采用新型表面涂裝體系保證了支座在嚴寒和大風(fēng)環(huán)境下的防護能力；采用全包圍彈性圍板滿足了強風(fēng)沙環(huán)境下的正常使用。

[1]裴薈蓉，佟嘉明，石秋君，等.可補充硅脂新型球型鋼支座試驗研究[J].鐵道建筑，2014,54(5)：41-43.

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 17955—2009 橋梁球型支座[S].北京：中國標準出版社，2005.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB/T 3320—2013 鐵路橋梁球型支座[S].北京：中國鐵道出版社，2013.

[4]葛盛昌，蔣富強.蘭新鐵路強風(fēng)地區(qū)風(fēng)沙成因及擋風(fēng)墻防風(fēng)效果分析[J].鐵道工程學(xué)報，2009,26(5)：1-4.

[5]李軍.超大噸位球型支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.

[6]何維,王少華,王廣超,等.球型支座結(jié)構(gòu)及性能研究[J].鐵道建筑，2012,52(5)：14-16.

[7]石秋君，佟嘉明，臧曉秋，等.鐵路橋梁球型支座[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015,55(2)：49-52.

[8]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 1591—2008 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼[S].北京：中國標準出版社，2005.

[9]中華人民共和國鐵道部.TB/T 1527—2011 鐵路鋼橋保護涂裝及涂料供貨技術(shù)條件[S].北京：中國鐵道出版社，2011.

[10]International Organization for Standardization.ISO 2137—2007 Petroleum Products and Lubricants-Determination of Cone Penetration of Lubricating Greases and Petrolatum[S].Switzerland:ISO,1995.

[11]International Organization for Standardization.ISO 2176—1995 Petroleum Products-Lubricating Grease-Determination of Dropping Point[S].Switzerland:ISO,1995.

[12]European Committee for Standardization.EN1337-2:2004，Structural Bearings-Sliding Elements[S].UK:British Standards Institution,2004.

[13] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 9286—1998 色漆和清漆 漆膜的劃格試驗[S].北京：中國標準出版社，1999.

[14]European Committee for Standardization.EN1337-7:2004 Structural Bearings-Spherical and Cylindrical PTFE Bearings[S].UK：British Standards Institution,2004.