120 MN桥梁支座试验机新型机架结构设计

刘岳兵，王少华，何 维，王广超，刘昕铭

(西南交通大学 机械工程研究所，成都 610031)

桥梁支座是桥梁结构的一个重要组成部分［1］。支座失效，将会导致结构整体失效。如果支座选用不当，或设计不合理，其后果将在桥梁上部结构或下部结构中反映出来，造成上部或下部结构的破坏。随着桥梁建设事业的发展，大型和特大型桥梁支座的应用越来越多，铁道部先后提出了盆式橡胶支座试验标准、球型支座试验标准［2-3］。目前国内外都没有大型支座试验机(≥60 MN)，而大型桥梁支座的研发、生产检验和检测又迫切需要大型支座试验机。因此，设计研发用于大吨位支座的试验机具有重大实际意义。

1 桥梁支座试验机国内外研究现状

目前支座试验设备主要是用于验证中、小吨位支座的强度、刚度是否足够，很难系统地试验、研究大吨位支座的各项性能。现阶段国内最大球形支座设计载荷已达180 MN，国内只有株洲时代新材料科技股份有限公司于2006年从意大利引进的最大吨位为52 MN的支座试验机，如图1所示，无法满足大吨位支座的试验要求。某支座生产企业顺应铁路和桥梁建设的发展，于2008年初决定研制120 MN支座试验机，以填补国内外的空白。经过西南交大和该企业技术人员一年多的努力工作，该试验机设计已初步完成，即将是世界上最大吨位的桥梁支座动静态加载试验机。

2 120 MN桥梁支座试验机功能介绍

图1 52 MN试验机主机

所研制的120 MN支座试验机是大型、三维加载试验机系统，是专门用于桥梁支座研发、生产检测检验的试验机，适用于各种大吨位桥梁支座的性能试验。该试验机能进行各种桥梁支座的静态垂向承载试验、静态压转性能试验、静态水平承载试验和水平摩擦性能试验等，也能进行桥梁支座产品的垂向动态性能测定、产品的刚度、阻尼和疲劳等性能试验，还能进行桥梁大位移支座的水平及垂向动态性能试验测定。试验机主要性能参数如表1所示。

表1 试验机动静态主要性能参数

3 桥梁支座试验机机架结构方案介绍［4］

试验机机架结构是主要的受力部件，占总制造成本的比重大。不但要满足强度的要求，还应满足刚度的要求。试验机的动态试验性能，取决于机架的整体刚度。合理的机架结构方案是本试验机研制的关键。

3.1 传统钢结构框架式机架结构

传统的大型压力机机架结构是将上、下横梁和两侧立柱分别制造，再用大型螺栓组合在一起，如图2所示。这种形式的优点是:技术成熟，国内外在大型水压机上广泛应用。不足是:单个零部件的重量大，制造、运输和安装成本高。在螺栓连接处出现较大的应力集中，这对整机结构的强度是非常不利的。

图2 传统组合框架式机架结构

3.2 预应力钢丝缠绕机架结构

预应力钢丝缠绕机架是由上、下拱形梁与两侧立柱组成，外面用高强度钢带一层层缠绕预紧，如图3所示。这种结构的优点在于:

1)结构轻巧、尺寸小，抗疲劳性能好，制造容易，成本低;

2)与一般机架相比，应力集中的部位较少。

不足在于:这种机架通常只有在纵向尺寸比较小的情况下才考虑采用;对于各个方向尺寸都较大的三维试验机，采用这种方案预紧效果将不能得到保证，钢丝缠绕操作比较麻烦。

3.3 预应力钢筋混凝土机架结构

利用钢筋混凝土结构来做机架的研究在国外20世纪50年代就已经开始，现已取得一定成效，图4是意大利ALGA公司提出的124 MN混凝土机架结构的方案。在我国，20世纪60年代以来，数家单位也先后研究并建造了十几台钢筋混凝土结构的液压机。这种结构机架有以下优点:

纳入标准包括以下几方面：（1）按照文献纳入标准，全部14项研究均符合FAP的罗马诊断标准。其中，采用罗马Ⅱ标准4项（28.57%），罗马Ⅲ标准10项（71.43%）；（2）所有研究纳入的患儿年龄下限为4～8岁，上限为15～18岁；（3）3项研究对基线腹痛程度进行限定，其中2项要求VAS评分大于25 mm，1项要求大于40 mm；（4）10项研究明确要求签署知情同意书。

1)大量节约金属，与钢铁式比较，约可节约金属材料50% ～70%;

图3 预应力钢丝缠绕机架

2)降低成本，由于大型铸、锻件及其加工费用昂贵，这种结构可以节约成本也达50% ～70%;

3)钢筋混凝土结构可以现场浇筑，操作非常方便，制造周期可以缩短一半以上。

钢筋混凝土结构的缺点在于:大截面预应力混凝土施工技术要求高，结构体积庞大、不能拆卸搬迁等。

图4 钢筋混凝土机架结构

3.4 本试验机机架结构方案

如图5所示，新方案中试验机机架由四个相同的钢结构框架组并排组合而成，4个框架之间通过作用在立柱上的限位框和横梁上的预应力拉杆进行纵向联结，每个框架组又主要由图中所示几部分所构成。结构原理如下:一方面，定位板焊接在上下横梁上，空心立柱插入在定位板间来支撑横梁，这样立柱在水平方向的自由度被定位板约束。另一方面，在立柱和横梁接触部分开一定尺寸的孔，使得预应力锚具能够通过横梁和立柱的内部，从而在上下两端施加一定大小的预应力来将横梁和立柱紧紧压合在一起。原则上，只要保证预压应力大于以后的竖向最大试验载荷，立柱和横梁之间就不会脱开。同上述方案相比，该方案的主要优点如下:

1)新型组合式结构，大大减少了单个零部件的重量，给制造、安装、运输、维护以及拆卸搬迁等带来了极大的方便;

图5 120 MN试验机机架模型

3)该方案机架具有较大的整体刚度，有利于液压系统的布置以及试验精度的控制。

4 试验机机架结构设计［5-6］

4.1 预紧力设计

试验机设计最大试验荷载为120 MN，预紧力Fy的大小可通过预紧系数进行计算，Fy=120 MN×预紧系数。一般预紧力可取为公称力(载荷)的1.3～1.5倍，本方案中预紧系数取为1.4。根据预紧力和钢绞线的容许破断应力可计算提供此预紧力的钢绞线总截面积，为后面选择预应力锚具作参考。本方案中采用55孔预应力锚具，每根立柱和横梁连接部分用4个锚具固定，见图6。每个锚具上有55束钢绞线，该型号锚具上单束钢绞线的截面积约为140 mm2，钢绞线的破断应力为1 860 MPa，初始预紧时设定为910 MPa(910/1 860≈0.49<0.50)。

图6 预应力锚具在横梁上的布置示意

4.2 立柱结构

考虑到立柱的内部要穿过一定直径的钢绞线，为了保证在等量材料的情况下立柱内部空间较大，采用正方形截面形式的空心立柱。参考相关设计要求，初步确定相关参数如下:边长850 mm，壁厚75 mm，预紧力取为1.4倍的载荷力。该方案中立柱始终处于受压状态，没有试验载荷时，立柱只受预紧力作用，这时立柱内部的应力最大。

4.3 横梁结构

如图5中所示，整个横梁结构由四块窄横梁组合而成，通过垫板传递载荷来让四块窄横梁共同承担。由于试验加载时，载荷主要集中在垫板中部区域，故初步计划中间两块窄横梁各承受40 MN的载荷，两边横梁各承受20 MN。考虑到该试验机上日后还要进行压转试验，到时两端横梁承载将较大，为安全起见，最终四块窄横梁均按承受40 MN载荷的条件来设计。

为了减轻重量，根据“等强度梁”的概念，在局部采用变截面形式，即中间部分横梁高度高，两端横梁高度低。参考同类型其它压力机的情况，确定参数如下:横梁长度为5 500 mm，上、下底板厚度均为200 mm，梁的宽度B=1 000 mm，腹板的厚度为75 mm。

5 结论

1)提出的120 MN桥梁支座试验机新型预应力机架结构设计方案，将是世界上最大吨位的桥梁支座动静态加载试验机机架方案。

2)该试验机机架结构新颖，具有以下几个优点:①新型组合式钢结构机架，大大减少了单个零部件的重量，给制造、安装、运输和维护带来了极大的方便;②采用钢绞线施加预应力来将横梁和立柱紧密连接，从而在连接处不会出现较大应力集中现象，大大地改善了机架结构的受力状况，从而有利于提高其寿命;③该方案最终机架的相对变形较小，有利于液压系统的布置以及试验精度的控制。

3)预紧力预紧方案、立柱以及横梁的设计计算表明，此方案合理、可行。

［1］庄军生.桥梁支座［M］.北京:中国铁道出版社，2000.

［2］中华人民共和国铁道部.TB/T 2331—2004 铁路桥梁盆式橡胶支座［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［3］国家质量监督检验检疫总局.GB/T 17955—2009 桥梁球型支座［S］.北京:中国标准出版社，2009.

［4］俞新陆.液压机的设计与应用［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［5］李庆华.材料力学［M］.成都:西南交通大学出版社，2005.

［6］中华人民共和国建设部.GB50017—2003 钢结构设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.