耐磨板整板与分体式设计对高速铁路桥梁球型支座性能影响的试验研究

刘立峰，黄 涛，李 心，林达文，易伟光，王 进，卢瑞林

(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

耐磨板整板与分体式设计对高速铁路桥梁球型支座性能影响的试验研究

刘立峰，黄 涛，李 心，林达文，易伟光，王 进，卢瑞林

(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

铁路桥梁球形支座的耐磨板主要有两种设计方式，一种是整体式，一种是分体式。研究两种不同的耐磨板设计对支座性能的影响，对于球型支座的应用具有重要意义。基于大量的球型支座力学性能试验，对多项力学性能的试验结果进行了对比、分析与总结。研究表明，采用整体式耐磨板的球型支座，在性能上优于采用分片式的球型支座。

耐磨板 球型支座 力学性能

1 试验概述

桥梁支座是连接桥梁上部结构和下部结构的重要部件，其主要功能是将上部结构承受的各种静、动及冲击载荷传递给墩台，并能适应上部结构由于荷载、温度变化、混凝土收缩等产生的变形。其中耐磨板发挥着至关重要的作用，桥梁水平位移是通过支座中间衬板的耐磨板与上支座的不锈钢板的摩擦来实现，转动是通过下座板球面耐磨板与球冠摩擦来实现。而摩擦系数的大小，直接关系到支座在承载过程中，是否发挥了水平位移、转角的作用。球型支座耐磨板有整体式和分片镶嵌式两种形式。通过对球型支座大量的试验研究，结果表明:球型支座中耐磨板采用整体式或者分片镶嵌式，对其力学性能试验结果影响较大。本文以某公司同高、同球半径、同材质耐磨板两种型号600 t球型支座试件为例，对其力学性能数据进行对比分析。

2 球型支座的结构和特点

球型支座是我国铁路桥梁目前广泛应用的一种支座，尤其适用于弯桥、坡桥和大跨度桥梁。它具有承受额定竖向荷载并能实现转动的功能，其主要作用是支承上部结构，并把上部结构的各种荷载传至下部结构。它一般是由上支座板、上支座板不锈钢板、平面聚四氟乙烯板、球冠衬板、球面聚四氟乙烯板和下支座板以及防尘结构组成。支座分为固定型和活动型两种。活动支座包括单向活动支座和双向活动支座，双向活动支座为桥梁的水平位移提供位移的载体;单向活动支座只有单向位移的性能。固定型支座能够承受各个方向水平载荷，为桥梁的水平承载提供保障。球型支座承载能力大，力学性能稳定，而且具有耗能少、转动灵活、转动反力矩小、容许转角大、养护工作量少等特点，受到越来越多的关注。而从使用寿命来看，球型支座要优于盆式橡胶支座，盆式橡胶支座存在橡胶垫老化和应力集中的问题，而球型支座则避免了这些问题，所以球型支座是我国桥梁建设中的优选。因此，在我国铁路桥梁中广泛应用。

3 试验装置与测试

3.1 试验装置

试验采用52 MN试验机(如图1)，其竖向最大静态载荷为52 000 kN，动态在振幅±1 mm状态下，最大频率可达10 Hz。自带6个高精度外接位移传感器，荷载、位移精度可达1%以内。有荷载、位移两种控制方式，能够进行两维动态和静态加载，并能实现程序自动加载，实时数据监控及采集。

图1 52 MN试验机

3.2 试验测试

试验样品:超高分子量聚乙烯板6 000 kN球型支座;

试验测试依据:GB/T 17955—2009桥梁球型支座。

主要包括竖向承载力试验、摩擦系数试验、转动性能试验和水平承载力试验。

3.2.1 竖向承载力试验

将样品安装于试验机中心，并在样品的竖向四周安装位移传感器(AC1～AC4)，在盆径方向安装两个位移传感器(DC5，DC6)。预压:先对样品施加设计荷载3次，然后正式加载3次。以设计荷载的0.5%(30 kN)作为初始荷载，对位移传感器清零，竖向以均匀的速度施加1.5倍的设计荷载9 000 kN于支座上，然后卸载，记录设计荷载(30～6 000 kN)下的竖向压缩变形、盆径变形值(变形分别取平均值)。荷载—变形曲线见图2、图3。

图2 球型支座竖向承载荷载—变形曲线

图3 球型支座竖向承载荷载—盆环径向变形曲线

3.2.2 摩擦系数试验

两个样品按双剪组合互叠在一起，上下对称安装于试验机受力中心，竖向加载设计荷载6 000 kN于支座上，并保持不变，预压1 h，然后正式加载。水平力加载于两个样品的中间板上，直至支座开始滑动，计算初始摩擦系数。试验连续加载5次，计算第2次到第5次的平均滑动摩擦系数，作为支座的实测摩擦系数，见表1。

表1 整体式与分片式耐磨板球型支座水平摩擦试验对比

3.2.3 转动性能试验

两个样品按双剪组合互叠在一起，上下对称安装于试验机受力中心，在支座竖向加载6 000 kN荷载，并保持不变，转动作动器顶起加载横梁，以5 kN/min的速度施加转动力矩，直至支座发生转动，记录发生转动瞬间的最大荷载，计算试验支座转动力矩，试验连续进行3次，取3次平均值作为转动性能力矩结果，见表2。

表2 整体式与分片式耐磨板球型支座转动试验对比结果

3.2.4 水平承载力试验

将支座安装于试验机受力中心，在支座竖向加载50%设计荷载3 000 kN，用水平承载力的20%(120 kN)预推，反复进行3次后，正式加载。先将支座竖向加载50%设计荷载3 000 kN，横向以设计水平力的0.5%(3 kN)作为初始荷载，待设计水平力达到90%(540 kN)时，再将竖向承载力加至设计荷载6 000 kN，然后将水平承载力加至设计水平承载力的1.2倍(720 kN)，保载3 min后卸载，见表3。

表3 整体式与分片式耐磨板球型支座水平承载试验对比

4 整体式和分片镶嵌式耐磨板球型支座试验分析

4.1 两种球型支座竖向承载力试验对比

表4试验结果表明，两种结构支座竖向变形存在较大差异，分片镶嵌式比整体式耐磨板球型支座竖向变形要大，而盆径变形相差无几，多年大量的试验表明竖向变形都处于这种趋势。其主要原因可能是由于两种耐磨板结构、工艺的差异所致。整体式耐磨板是一次性压模成型，相对要平整，如图4。而分片镶嵌式耐磨板是由很多小块分别镶嵌在衬板平面与下座板球面槽里，如图5，衬板平面耐磨板要尽可能保证平面平整，球面耐磨板要与不锈钢球面衬板完全贴合，确保轮廓度公差，不应有脱空现象。否则两层耐磨板高低不平，使之产生弹性变形，使竖向变形超差。

表4 整体式与分片式耐磨板球型支座竖向承载试验对比

图4 整体式耐磨板球型支座

图5 分片镶嵌式耐磨板球型支座

4.2 两种球型支座摩擦系数试验对比

表1试验结果表明，两种结构支座摩擦系数存在较大差异，分片镶嵌式比整体式耐磨板球型支座摩擦系数要大，多年大量的试验数据表明摩擦系数都处于这种趋势。其主要原因可能是由于分片镶嵌式耐磨板和整体式耐磨板结构和工艺的差异所致。衬板上的分片式耐磨板处于一个不完整的平面，增加了耐磨板压应力，以致于摩擦系数会大于整体式耐磨板球型支座。

4.3 两种球型支座转动试验对比

表2试验结果表明，两种结构支座转动力矩存在较大差异，分片镶嵌式比整体式耐磨板球型支座转动力矩要大，多年大量的试验数据表明转动力矩也都处于这种趋势。其主要原因可能是由于分片镶嵌式和整体式耐磨板本身结构和工艺的差异所致。在转动过程中，力矩的大小是由衬板平面耐磨板与球面耐磨板共同作用决定的，其性质与水平摩擦试验相同，其区别是水平摩擦是一个滑动面，而转动是两个摩擦面，所以通常在同一组样品中，转动摩擦系数要大于水平摩擦系数。由于结构、工艺的差异，衬板平面分片式耐磨板处于一个不完整的平面，球面分片式耐磨板与衬板球面没有完全贴合，出现脱空现象，其增加了耐磨板压应力，以致于转动力矩会大于整体式耐磨板球型支座。

4.4 两种支座水平承载力试验对比

从表3试验结果可见，两种结构支座水平承载试验结果相同，与以往大量的试验数据也是一致的。水平承载试验主要是测试支座承受横向力的能力，与耐磨板采取什么形式没有直接关系。

5 结语

球型支座耐磨板采用分片镶嵌式或整体式对其力学性能有较大的影响，而对水平承载力无明显影响。虽然分片镶嵌式球型支座在加工成形时有其独特的优点，但从力学性能来看，球型支座耐磨板采用整体式要优于分片镶嵌式。

[1]中华人民共和国铁道部.GB/T 17955—2009 桥梁球型支座[S].北京:中国铁道出版社，2009.

[2]中华人民共和国铁道部.GB/T 17955—2000 桥梁球型支座[S].北京:中国铁道出版社，2000.

[3]庄军生，张士臣.球型支座的试验研究[C]//混凝土及预应力混凝土论文集.北京:中国铁道科学研究院，1990.

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[5]刘岳兵，王少华，何维，等.120 MN桥梁支座试验机新型机架结构设计[J].铁道建筑，2010(8):21-23.

[6]黄茂忠，张松琦，张远庆.可调高双柱面支座的设计与试验研究[J].铁道建筑，2007(2):33-35.

[7]王润凯，张立军.锚栓折断的弧形支座加固方法[J].铁道建筑，1997(11):22-24.

U443.36

A

1003-1995(2012)06-0039-03

2011-09-22;

2012-04-01

刘立峰(1982— )，男，湖南株洲人，工程师。

(责任审编 白敏华)