李世珩,夏俊勇,陈彦北,胡宇新,郭红峰

(株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲 412007)

高速铁路和客运专线对桥梁基础沉降控制提出了更严格的要求。而客运专线中桥梁所占比率较大,许多线路软土地基区段较长,桥梁基础难免发生沉降,此时需要通过对支座从而对梁体进行调高调平。目前国内外已采用过的支座调高方案主要有垫板调高、螺旋调高、楔块调高、注射式调高等4种方式,采用注射式调高支座是一种能方便快捷可靠的解决桥梁基础沉降问题的有效方法,并且其具有其他调高方式所难以比拟的优点[1，2]。可注射调高的盆式橡胶支座已经有不少实际工程应用,但可注射调高式的球形支座未见实际工程应用的实例。球形支座相比盆式支座具有以下优点[3]：

(1)球形支座通过球面传力,不会出现力的缩颈现象,作用在混凝土上的反力比较均匀；

(2)球形支座转动力矩小,与支座转角大小无关,特别适用于大转角的要求,设计转角可达0.05 rad；

(3)球形支座各向转动性能一致,适用于宽桥、曲线桥；

(4)这种支座不用橡胶承压,不存在橡胶老化对支座转动性能的影响,无橡胶低温脆性,特别适用于低温地区。

鉴于以上球形支座独特的优点,目前铁路线上有用球形支座全面取代盆式橡胶支座的趋势。可见研发一种可调高的球形支座,将进一步扩大球形支座的应用范围,使得球形支座几乎能在所有场合都能代替盆式橡胶支座,因而具有重大的意义。通过对TJQZ-T注射式调高球形钢支座进行结构设计、仿真分析与试验检测,初步验证了TJQZ-T调高球形支座是一种技术可行、性能合格的调高支座,为注射调高球形支座的完善和全面应用打下了良好的基础。

1 TJQZ-T注射式调高球形钢支座结构与调高原理

TJQZ-T注射式调高球形钢支座(多向型,下同),具体结构如图1所示,包括滑动板、耐磨板、球冠衬板、球面底座、底盆、螺塞、卡片、密封圈、球面耐磨板、密封环等结构。其调高原理为在球形钢支座底盆和球面底座之间通过外置高压泵和管道注入填充液态弹性材料,抬高球面底座在底盆中的位置，从而抬高支座上板和桥梁上部结构达到调高目的。支座调高注射通道加工在底盆侧壁和底部,而且可根据需要在钢盆内加工出多组注射通道从而达到支座多次调高目的；外部调高设备通过精密的管螺纹与支座注射通道联接。当支座调高到理想高度后,停止注射填充液态弹性材料,用外接的高压球阀截止支座端的管路,拆走外部调高设备的其他部分清洗,待支座内填充的液态弹性材料固化。

图1 TJQZ-T注射式调高球形钢支座结构示意

2 TJQZ-T注射式调高球形钢支座结构设计与计算

TJQZ-T注射式调高球形钢支座在球面耐磨板及以上的结构与普通TJQZ球形钢支座结构相同,不同之处在于将TJQZ底座分为了球面底座(图2)和底盆(图3)2部分,并在2部分之间设置有高压液压密封圈,在底盆上开有注射通道。故球面耐磨板及以上的结构及锚碇结构按普通TJQZ球形钢支座设计校核[4，5]。

图2 球面底座结构示意

图3 底盆结构示意

2.1 支座的设计与校核

(1)底盆与球面底座的理论计算与校核

设计的工程试验样品产品型号为TJQZ-T20-5000KN-DX,设计调高高度20 mm,竖向承载5 000 kN,目前通用的液压设备中,一般高压最高为32 MPa,采用更高液压设备时,设备难于采购,且成本显著增加。

故底盆侧壁内径Dd大小需根据调高液压力大小确定。

底盆盆环内径

(1)

盆环外径根据拉应力及剪应力确定。

拉应力

(2)

剪应力

(3)

其中，FS为支座竖向承载力,FH为横向水平承载力。

底盆总高Hd及盆环高度Hd2根据式(2)及设计调高高度与安全余量确定。球面底座高度Hq根据盆环高度Hd2确定,Hq1和Dq根据密封圈尺寸确定。根据式(2)可知Hq1越小,底盆总高Hd越小,从而球面底座高度Hq越小,支座总高越小,支座经济性越好。

(2)底盆与球面底座有限元分析与校核

有限元分析(FEA)模拟支座承载、滑移、转动及其相互综合的工况[6],对支座整体进行运动仿真,对各个零部件进行受力分析。与预期及以往经验一样,在支座承受最大载荷、发生最大位移及最大转角的极限工况下,各零部件的受力及变形都达到最大。根据分析结果(图4),在上座板转近端,底盆的开口边缘受压应力最大为51.42 MPa,在同侧,球面底座压应力达到最大88.89 MPa,均在常用支座材料Q345B和ZG270—500的容许应力范围内,并且具有相当的安全裕度。

图4 FEA支座极限工况应力分布云图

由于样品是多向型,受水平力较小,但根据FEA进一步计算,在模拟固定,单向支座受到设计值大小水平力时,球面底座与底盆的受力情况与理论计算值吻合度较高,也在材料容许应力范围内。这里不再赘述。

2.2 密封结构及密封圈的设计

(1)密封结构及密封圈的选择对比

调高球形支座的重点与难点在于密封结构的设计。若将底盆视为常见的液压油缸的缸结构,将球面底座视为杆结构,则密封圈很容易想到采用液压工程中广泛采用的“U”型圈或“V”型圈,但在实际装配过程中,由于上述2种密封圈需要在径向上与缸、杆结构过盈配合,装配技术要求高,效率低,不是最优的选择。

株洲TMT采用自主设计的7型密封圈,总体密封结构如图5所示,实物示意见图6,7型圈在径向上无需过盈配合,装配技术难度大大缩小,装配效率也明显提升。且与在径向上规格相同(近)的标准U型圈和V型圈的相比,7型圈高度只有它们的60%左右,从而可以在支座实现同样功能的情况下将整个支座的高度降低5%左右,具体对比见表1。

图5 密封结构及密封圈示意

图6 密封圈实物

表1中支座质量比例在很大程度上决定了支座成本的比例,根据表1中数据可知,使用7型圈比使用标准V型圈或U型圈大约节约成本5%,具有明显的经济性。

表1 不同形式密封圈参数及对应的支座参数比较

*注：V型圈参数采自GB—T10708.1,U型圈密封圈参数采自HG4-336-66,其余数据采自株洲TMT设计的TJQZ-T20-5000KN-DX工程试验样品及推算值。

(2)7型圈的密封原理

安装前,7型圈在径向上无需与球面底座和底盆过盈配合。在垂向,密封圈的厚度,大于球面底座上留下的密封圈安装空间的高度。安装过程中,密封圈先于支座球面底座安装到位,此时密封圈基本没有受力变形,支座球面底座需要进一步安装到位,即与底盆接触。

安装完成后,支座球面底座与底盆受力接触,密封圈长唇边受压变形,形成要在径向及垂向伸展的趋势。在径向与配合件,包括球形支座中的底盆及球面底座,都挤压变形成初始密封。

当从注入口注入调高填充液态弹性材料时,在支座上部结构受高压液压力抬升(包含有抬升趋势)的过程中,在密封圈径向内侧及端面,密封圈分别受密封圈内力及高压液压力作用,与支座球面底座保持相对静止,形成高压静密封。在密封圈径向外侧,填充剂通过图示中向上及向外侧的液压力进一步压迫密封圈长唇边向唇口腔退缩,使得长唇边占据的空间由长到短变化或有其趋势,长唇边与底盆进一步挤压密贴,同时密封圈相对向上滑动,在径向外侧形成高压动密封。据上,已形成完全单向动密封。

通过后续的试验验证可知,7型圈的密封效果理想,目前株洲TMT已对其申请专利[7]。

3 TJQZ-T注射式调高球形钢支座的试验设计与验证

3.1 试验基本情况介绍

为了验证TJQZ-T注射式调高球形钢支座调高性能的可靠性和其他基本性能,需对试制的TJQZ-T20-5000KN-DX支座进行试验验证,包括支座型式检测试验和支座的调高试验,试验在南车株洲电力机车研究所有限公司新材料检测中心桥梁支座专用检测设备52 000 kN试验机上进行。型式检测试验按照国标《桥梁球形支座》(GB/T 17955—2009)附录[8]进行,对于调高试验,因为目前没有具体的标准参照执行,需要在确保能充分模拟实际工况的情况下自行设计试验方法。

3.2 试验方案设计

对整体试验,考虑支座使用工况和支座调高前后都必须具备支座正常使用功能的基本要求,设计试验方案为调高前后,都按《桥梁球形支座》(GB/T 17955—2009)附录进行型式试验。试验重点考察支座的基本性能与注射调高能力,弱化考察填充液态弹性材料的性能。

对调高试验,调高设备为在外部液压泵与TJQZ-T调高支座之间依次装有压力表、安全阀和高压截止阀,填充液态弹性材料采用聚氨脂材料。

在调高试验中,支座的压力加载,根据支座实际工况以及参考业内盆式橡胶支座调高加载要求,制定了调高球形支座的调高试验加载要求：支座分别在承受0.5倍设计载荷至1倍载荷下实现动态注射调高,即在0.5倍设计载荷下开始注射调高,然后在调高过程中,均匀将压力加载到1倍设计载荷。填充液态弹性材料在调高及固化过程中,不允许发生泄漏。

3.3 试验过程及结果

TJQZ-T注射式调高球形钢支座注射式调高球形钢支座试验情况如图7、图8所示。

图7 支座进行动态承压调高试验

图8 调高后支座承压试验和压转试验后填充聚氨酯情况

在整个调高试验过程中,未见液态弹性材料(聚氨酯)的泄露,凝固后表面见少量气泡,但是对承压没造成过大的影响,疑与调高试验操作工艺有关。调高前后型式试验数据见表2。

表2 TJQZ-T支座调高前后试验数据对比

通过表2可以发现调高后支座功能正常,与调高前相比,竖向变形和径向变形有所增加,但还在规定值范围内；而水平摩擦系数和转动力矩则变小,有了更大的性能裕度。综合看来,支座调高前和调高后各项性能参数都完全满足相关标准要求,性能可靠。因而,TJQZ-T这一注射调高球形支座结构是一理想的结构。

4 结语

通过对TJQZ-T型调高球形钢支座进行合理结构设计、有限元仿真分析及设计实施模拟实际工况下支座承载的调高试验与型式试验,初步验证了TJQZ-T这一调高球形支座技术的可行和性能的可靠性,是在注射调高球形支座研制方面的一次尝试和突破,为全面应用调高球形支座打下了坚实的基础。特别是创新性地设计采用一种特制的密封结构及密封圈,在达到良好高压液压密封效果的同时,带来了安装的便利性和良好的经济效益。

同时,如何选择密封圈的材质,以保留球形支座钢支座相较盆式橡胶支座具有耐老化及耐低温脆性的优越性；如何通过巧妙的结构设计,降低调高球形支座满载情况下调高启动时压力偏大等问题，都是值得更加深入研究探讨并解决的问题。

[1] 胡宇新,卢瑞林,等.CKPZ-T注射式调高盆式橡胶支座调高试验研究[J].铁道标准设计,2010(12)：61-64．

[2] 张士臣.调高支座在客运专线桥梁上应用的研究[J].铁道工程学报,2004(S1)：160-162．

[3] 庄军生.桥梁支座[M].2版.北京：中国铁道出版社,2000.

[4] EN1337-7: Spherical and cylindrical PTFE bearings[S].2004．

[5] 李杨海.公路桥梁支座设计计算与施工维护新技术实用手册[M].北京：人民交通出版社,2009.

[6] 李乔.桥梁支座有限元模型[J].工程力学,2000(增刊)：657-660．

[7] 夏俊勇,郭红锋,胡宇新,李世珩,等.一种注射调高型桥梁钢支座液压密封方法及密封圈：中国,CN201110214033.2[P].2011-07-29.

[8] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化委员会.GB/T17955—2009桥梁球形支座[S].北京：中国标准出版社,2009.