楊帆

（中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司，北京 100081）

橋梁支座設(shè)置在橋梁的上部結(jié)構(gòu)（梁）與下部結(jié)構(gòu)（墩臺）之間，將上部結(jié)構(gòu)的各種荷載可靠地傳遞到下部結(jié)構(gòu)。橋梁支座須適應(yīng)活載、溫度變化、混凝土收縮徐變等因素所產(chǎn)生的位移和轉(zhuǎn)動，使上下部結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況符合設(shè)計(jì)要求[1]；須具有足夠的承載能力，以確保安全可靠地傳遞支座反力；對位移、轉(zhuǎn)角等橋梁變形的約束應(yīng)盡可能小，以適應(yīng)梁體自由伸縮及轉(zhuǎn)動的需要。

TB/T 3320—2013《鐵路橋梁球型支座》[2]中通過支座豎向承載力試驗(yàn)、活動支座摩擦因數(shù)試驗(yàn)、支座轉(zhuǎn)動力矩試驗(yàn)分別將橋梁支座的承載力、位移、轉(zhuǎn)角性能進(jìn)行了量化，即豎向壓縮變形、平面摩擦因數(shù)、球面摩擦因數(shù)3項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)?；炷潦湛s徐變、溫度伸縮變位及下部結(jié)構(gòu)的縱橫向位移等原因?qū)е铝后w與支座在縱橫向產(chǎn)生相對位移。球型支座須滿足縱橫橋向位移量的要求，使由橋梁變形所產(chǎn)生的縱橫向位移盡可能不受約束，即支座的平面摩擦因數(shù)越低越好。梁體因自重產(chǎn)生梁端縱向轉(zhuǎn)角，因上下翼緣溫差產(chǎn)生縱向轉(zhuǎn)角，二次恒載及活載（偏載）產(chǎn)生縱橫向轉(zhuǎn)角等。要求球型支座滿足轉(zhuǎn)角的需求，使由橋梁變形所產(chǎn)生的縱橫向轉(zhuǎn)角盡可能不受約束，即球型支座的球面摩擦因數(shù)越低越好。

為了解目前行業(yè)內(nèi)鐵路橋梁球型支座的基本力學(xué)性能水平，選取2017年—2019年總高度不大于200 mm的TJQZ系列及TJGZ系列鐵路橋梁球型支座進(jìn)行了試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，同時(shí)研究了試驗(yàn)中出現(xiàn)的一些異?，F(xiàn)象。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)共選取了150組樣本，每組樣本包括多向型支座DX、縱向型支座ZX、橫向型支座HX、固定型支座GD各1臺。試驗(yàn)內(nèi)容包括支座豎向承載力試驗(yàn)、活動支座摩擦因數(shù)試驗(yàn)、支座轉(zhuǎn)動力矩試驗(yàn)。

球型支座豎向承載力是橋梁支座最核心的基本性能，是支座傳遞反力的基礎(chǔ)。豎向承載力不足的支座無法保證位移及轉(zhuǎn)角性能。通過豎向承載力試驗(yàn)獲取支座豎向壓縮變形來研究支座承載力性能。

球型支座的平面摩擦副由上座板內(nèi)側(cè)焊接的平面不銹鋼板、鑲嵌于球冠襯板部件中的平面改性超高分子量聚乙烯滑板構(gòu)成。平面摩擦副性能通過摩擦因數(shù)試驗(yàn)獲取支座的平面摩擦因數(shù)來研究。

球型支座的球面摩擦副由包覆于球冠襯板外的凸球面不銹鋼板、支座下座板內(nèi)鑲嵌的凹球面改性超高分子量聚乙烯滑板共同構(gòu)成。通過轉(zhuǎn)動力矩試驗(yàn)獲取支座的轉(zhuǎn)動力矩，計(jì)算球面摩擦因數(shù)[3-4]來研究球面摩擦副的性能。支座轉(zhuǎn)動力矩公式為

式中：M為轉(zhuǎn)動力矩；μ為球面摩擦因數(shù)；P為豎向承載力；R為球冠襯板球面半徑。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 豎向壓縮變形

2017年—2019年150個(gè)球型支座樣本的豎向承載力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行視圖化后見圖1?？芍呵蛐椭ё呢Q向壓縮變形主要集中在1.00～1.20 mm；整體來看，各年度的豎向壓縮變形平均值均未超過技術(shù)要求的60%。各生產(chǎn)企業(yè)對該技術(shù)參數(shù)的質(zhì)量控制十分穩(wěn)定。

圖1 150個(gè)球型支座樣本的豎向承載力試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1?？芍蛐椭ё呢Q向壓縮變形值與其使用功能無關(guān)，4種類型的支座沒有明顯差異。

表1 球型支座豎向壓縮變形平均值 mm

2.2 平面摩擦系數(shù)和球面摩擦系數(shù)

TB/T 3320—2013規(guī)定平面摩擦因數(shù)和球面摩擦因數(shù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都是0.03?？紤]到平面摩擦因數(shù)較小，為方便對比分析，選取0.015作為劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。2017年—2019年球型支座樣本平面、球面摩擦因數(shù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2和表3。

表2 球型支座平面摩擦因數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表3 球型支座球面摩擦因數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表2可知，平面摩擦因數(shù)各年的平均值均遠(yuǎn)低于技術(shù)要求0.03。2017年與2018年各有1個(gè)樣本達(dá)到0.015，為各自年度樣本數(shù)的2.1%。2019年則有5個(gè)樣本超過0.015，為該年度樣本數(shù)的9.3%?？梢?，該技術(shù)參數(shù)的質(zhì)量控制水平普遍優(yōu)異，但從2019年起有下降趨勢。

由表3可知，2018年球面摩擦因數(shù)的質(zhì)量控制水平比2017年明顯提高，但2019年再次降低，并且出現(xiàn)2個(gè)超出技術(shù)要求的樣本。該參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定，各生產(chǎn)企業(yè)對該技術(shù)參數(shù)的質(zhì)量控制差異較大。

2.3 球面摩擦因數(shù)與平面摩擦因數(shù)的差異

2017年—2019年150個(gè)球型支座樣本的平面摩擦因數(shù)與球面摩擦因數(shù)關(guān)系見圖2?？梢灾庇^地看出球面摩擦因數(shù)普遍高于平面摩擦因數(shù)。從波動幅度來看，球面摩擦因數(shù)也明顯高于平面摩擦因數(shù)。

圖2 球型支座樣本的球面摩擦因數(shù)與平面摩擦因數(shù)關(guān)系

2017年—2019年150個(gè)球型支座樣本球面摩擦因數(shù)與平面摩擦因數(shù)的比值γ分布見表4。可知，150個(gè)球型支座樣本中有94%的樣本球面摩擦因數(shù)不小于平面摩擦因數(shù)，80%的樣本球面摩擦因數(shù)是平面摩擦因數(shù)的1.5倍以上，64%的樣本超過2倍，36%的樣本超過3倍，甚至有13%的球面摩擦因數(shù)達(dá)到了其平面摩擦因數(shù)的5倍及以上。

表4 球面摩擦因數(shù)與平面摩擦因數(shù)的比值分布

3 球面摩擦因數(shù)高于平面摩擦因數(shù)的原因分析

支座摩擦副的摩擦因數(shù)主要由對磨材料、潤滑介質(zhì)性能及相對滑動速度決定。同一球型支座的球面摩擦副和平面摩擦副在各自試驗(yàn)過程中荷載相同，相對滑動速度幾乎一致，摩擦副的構(gòu)成要素及潤滑介質(zhì)均同源，理論上同一臺支座的平面摩擦系數(shù)與球面摩擦因數(shù)應(yīng)相等。

3.1 轉(zhuǎn)動中心

當(dāng)球型支座發(fā)生轉(zhuǎn)動的中心與橋梁上部結(jié)構(gòu)（試驗(yàn)工況下為壓轉(zhuǎn)板）轉(zhuǎn)動中心不一致時(shí)，轉(zhuǎn)動過程中由于上支座板受到約束與平面滑板發(fā)生錯(cuò)動導(dǎo)致平面摩擦副與球面摩擦副共同作用[5-6]，即所得的試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)包含球面摩擦因數(shù)與平面摩擦因數(shù)。這種情況下球面摩擦因數(shù)應(yīng)為平面摩擦因數(shù)的2倍以內(nèi)，但仍然有64%的樣本超過了2倍，還須從其他角度進(jìn)一步分析。

3.2 平面與凹球面改性超高分子量聚乙烯滑板

平面改性超高分子量聚乙烯滑板與凹球面改性超高分子量聚乙烯滑板在相同荷載作用下最大的不同點(diǎn)在于受力面積不同導(dǎo)致的壓應(yīng)力差。以TJQZ及TJGZ的8 360系列5 000，5 500，6 000 kN規(guī)格球型支座為例，依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 球型支座的平面、凹球面滑板面積及所受壓應(yīng)力

由表5可知，平面滑板壓應(yīng)力基本為44 MPa，凹球面滑板壓應(yīng)力主要為43 MPa與40 MPa。使用同源改性超高分子量聚乙烯滑板試樣10組，以同批次5201‐2硅脂作為潤滑介質(zhì)，相對滑動速度為0.1 mm/s，每組試樣分別在44，43，40，34 MPa壓應(yīng)力下進(jìn)行初始靜摩擦因數(shù)試驗(yàn)。相對滑動速度0.1 mm/s的情況下，10組改性超高分子量聚乙烯滑板的摩擦因數(shù)平均值在44，43，40，34 MPa壓應(yīng)力下分別為 0.003 1，0.003 1，0.003 5，0.004 3。改性超高分子量聚乙烯滑板的摩擦因數(shù)與壓應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[7]。即滑板面積越大，壓應(yīng)力越小，摩擦因數(shù)越大。

凹球面改性超高分子量聚乙烯滑板由平面滑板壓制而成。球冠表面積S球面公式為

式中：R為球冠半徑；h為球冠高度。

設(shè)平面滑板的半徑為r，可得，即r2=2Rh-h2。平面滑板面積S平面為

由式（2）和式（3）可知，球面滑板面積比平面滑板面積多πh2。壓制凹球面的球冠高度正超差或壓制凹球面用的平面滑板半徑r正超差均會導(dǎo)致球面面積增加，進(jìn)而增加球面摩擦因數(shù)。

3.3 平面與凸球面不銹鋼板

平面不銹鋼板與凸球面不銹鋼板的最大不同點(diǎn)在于形狀差異。就形狀公差控制難易度而言，球面輪廓度明顯高于平面度。凸球面不銹鋼板采用焊接形式包覆于球冠襯板部件，可能有不密貼、加渣鼓泡等機(jī)械損傷影響凸球面不銹鋼板的形狀，進(jìn)而增大球面摩擦因數(shù)。

由于滑板摩擦因數(shù)受到潤滑介質(zhì)性能的影響[8]，樣本之間無法保證潤滑介質(zhì)性能的一致性，故無法進(jìn)行橫向比較。但采用球面摩擦因數(shù)與平面摩擦因數(shù)的比值γ可以一定程度反映球面輪廓度對球面摩擦因數(shù)的影響。凸球面不銹鋼板輪廓度與γ的關(guān)系見圖3?？梢钥闯?，隨著γ增大，凸球面不銹鋼板輪廓度呈現(xiàn)上升趨勢，二者正相關(guān)，皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.72。

圖3 凸球面不銹鋼板輪廓度與γ的關(guān)系

3.4 轉(zhuǎn)動力矩

由式（1）可知，實(shí)測轉(zhuǎn)動力矩與球冠襯板球面半徑成正比。當(dāng)球冠襯板球面半徑存在加工正超差時(shí)，球面半徑的尺寸偏大會導(dǎo)致M實(shí)測值增加。而在實(shí)際計(jì)算球面摩擦因數(shù)時(shí)采用μ球面=M實(shí)測值/（PR），其中R值仍按設(shè)計(jì)球面半徑進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致μ球面計(jì)算值增大。

4 質(zhì)量控制建議

不銹鋼板平面度的質(zhì)量控制相對簡單，改性超高分子量聚乙烯滑板的性能普遍穩(wěn)定，平面摩擦因數(shù)上升主要是潤滑介質(zhì)的變質(zhì)或使用性能不符合要求所致。建議生產(chǎn)企業(yè)對用于支座成品的5201‐2硅脂進(jìn)行核查，杜絕使用性能不符合要求或長期存放有變質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的潤滑介質(zhì)。

球面摩擦副的組成部件在加工精度上比平面更難控制，造成該指標(biāo)波動的主要原因是各生產(chǎn)企業(yè)的球面摩擦副相關(guān)部件加工工藝水平差異較大。建議生產(chǎn)企業(yè)重視球冠襯板部件的球面半徑及輪廓度等參數(shù)的質(zhì)量控制。

5 結(jié)論

1）球型支座的豎向承載力和平面摩擦因數(shù)的質(zhì)量控制普遍穩(wěn)定，滿足現(xiàn)有設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。球型支座的球面摩擦因數(shù)較大，各生產(chǎn)企業(yè)對該技術(shù)參數(shù)的質(zhì)量控制差異明顯。球型支座球面摩擦因數(shù)普遍高于平面摩擦因數(shù)。

2）球面摩擦因數(shù)高于平面摩擦因數(shù)的原因有：球型支座轉(zhuǎn)動中心與壓轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動中心不一致；改性超高分子量聚乙烯滑板的摩擦因數(shù)與壓應(yīng)力成反比，凹球面滑板的面積比平面滑板大；凸球面不銹鋼板的輪廓度質(zhì)量控制較差及球冠襯板球面半徑的正偏差。

3）轉(zhuǎn)動力矩試驗(yàn)的結(jié)果是球型支座基本力學(xué)性能試驗(yàn)中最不穩(wěn)定的，具有超出設(shè)計(jì)要求的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)梁體無法通過球型支座的轉(zhuǎn)動變形完全釋放彎矩時(shí)，會對梁體造成傷害。因此確保球面摩擦副的各部件加工公差及形狀公差的精度十分必要。