TJQZ-T注射調(diào)高球形支座設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

李世珩,夏俊勇,陳彥北,胡宇新,郭紅峰

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司,湖南株洲 412007)

高速鐵路和客運(yùn)專線對(duì)橋梁基礎(chǔ)沉降控制提出了更嚴(yán)格的要求。而客運(yùn)專線中橋梁所占比率較大,許多線路軟土地基區(qū)段較長(zhǎng),橋梁基礎(chǔ)難免發(fā)生沉降,此時(shí)需要通過(guò)對(duì)支座從而對(duì)梁體進(jìn)行調(diào)高調(diào)平。目前國(guó)內(nèi)外已采用過(guò)的支座調(diào)高方案主要有墊板調(diào)高、螺旋調(diào)高、楔塊調(diào)高、注射式調(diào)高等4種方式,采用注射式調(diào)高支座是一種能方便快捷可靠的解決橋梁基礎(chǔ)沉降問(wèn)題的有效方法,并且其具有其他調(diào)高方式所難以比擬的優(yōu)點(diǎn)[1，2]?？勺⑸湔{(diào)高的盆式橡膠支座已經(jīng)有不少實(shí)際工程應(yīng)用,但可注射調(diào)高式的球形支座未見(jiàn)實(shí)際工程應(yīng)用的實(shí)例。球形支座相比盆式支座具有以下優(yōu)點(diǎn)[3]：

(1)球形支座通過(guò)球面?zhèn)髁?不會(huì)出現(xiàn)力的縮頸現(xiàn)象,作用在混凝土上的反力比較均勻；

(2)球形支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小,與支座轉(zhuǎn)角大小無(wú)關(guān),特別適用于大轉(zhuǎn)角的要求,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角可達(dá)0.05 rad；

(3)球形支座各向轉(zhuǎn)動(dòng)性能一致,適用于寬橋、曲線橋；

(4)這種支座不用橡膠承壓,不存在橡膠老化對(duì)支座轉(zhuǎn)動(dòng)性能的影響,無(wú)橡膠低溫脆性,特別適用于低溫地區(qū)。

鑒于以上球形支座獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),目前鐵路線上有用球形支座全面取代盆式橡膠支座的趨勢(shì)?？梢?jiàn)研發(fā)一種可調(diào)高的球形支座,將進(jìn)一步擴(kuò)大球形支座的應(yīng)用范圍,使得球形支座幾乎能在所有場(chǎng)合都能代替盆式橡膠支座,因而具有重大的意義。通過(guò)對(duì)TJQZ-T注射式調(diào)高球形鋼支座進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析與試驗(yàn)檢測(cè),初步驗(yàn)證了TJQZ-T調(diào)高球形支座是一種技術(shù)可行、性能合格的調(diào)高支座,為注射調(diào)高球形支座的完善和全面應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

1 TJQZ-T注射式調(diào)高球形鋼支座結(jié)構(gòu)與調(diào)高原理

TJQZ-T注射式調(diào)高球形鋼支座(多向型,下同),具體結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括滑動(dòng)板、耐磨板、球冠襯板、球面底座、底盆、螺塞、卡片、密封圈、球面耐磨板、密封環(huán)等結(jié)構(gòu)。其調(diào)高原理為在球形鋼支座底盆和球面底座之間通過(guò)外置高壓泵和管道注入填充液態(tài)彈性材料,抬高球面底座在底盆中的位置，從而抬高支座上板和橋梁上部結(jié)構(gòu)達(dá)到調(diào)高目的。支座調(diào)高注射通道加工在底盆側(cè)壁和底部,而且可根據(jù)需要在鋼盆內(nèi)加工出多組注射通道從而達(dá)到支座多次調(diào)高目的；外部調(diào)高設(shè)備通過(guò)精密的管螺紋與支座注射通道聯(lián)接。當(dāng)支座調(diào)高到理想高度后,停止注射填充液態(tài)彈性材料,用外接的高壓球閥截止支座端的管路,拆走外部調(diào)高設(shè)備的其他部分清洗,待支座內(nèi)填充的液態(tài)彈性材料固化。

圖1 TJQZ-T注射式調(diào)高球形鋼支座結(jié)構(gòu)示意

2 TJQZ-T注射式調(diào)高球形鋼支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

TJQZ-T注射式調(diào)高球形鋼支座在球面耐磨板及以上的結(jié)構(gòu)與普通TJQZ球形鋼支座結(jié)構(gòu)相同,不同之處在于將TJQZ底座分為了球面底座(圖2)和底盆(圖3)2部分,并在2部分之間設(shè)置有高壓液壓密封圈,在底盆上開(kāi)有注射通道。故球面耐磨板及以上的結(jié)構(gòu)及錨碇結(jié)構(gòu)按普通TJQZ球形鋼支座設(shè)計(jì)校核[4，5]。

圖2 球面底座結(jié)構(gòu)示意

圖3 底盆結(jié)構(gòu)示意

2.1 支座的設(shè)計(jì)與校核

(1)底盆與球面底座的理論計(jì)算與校核

設(shè)計(jì)的工程試驗(yàn)樣品產(chǎn)品型號(hào)為TJQZ-T20-5000KN-DX,設(shè)計(jì)調(diào)高高度20 mm,豎向承載5 000 kN,目前通用的液壓設(shè)備中,一般高壓最高為32 MPa,采用更高液壓設(shè)備時(shí),設(shè)備難于采購(gòu),且成本顯著增加。

故底盆側(cè)壁內(nèi)徑Dd大小需根據(jù)調(diào)高液壓力大小確定。

底盆盆環(huán)內(nèi)徑

(1)

盆環(huán)外徑根據(jù)拉應(yīng)力及剪應(yīng)力確定。

拉應(yīng)力

(2)

剪應(yīng)力

(3)

其中，F(xiàn)S為支座豎向承載力,FH為橫向水平承載力。

底盆總高Hd及盆環(huán)高度Hd2根據(jù)式(2)及設(shè)計(jì)調(diào)高高度與安全余量確定。球面底座高度Hq根據(jù)盆環(huán)高度Hd2確定,Hq1和Dq根據(jù)密封圈尺寸確定。根據(jù)式(2)可知Hq1越小,底盆總高Hd越小,從而球面底座高度Hq越小,支座總高越小,支座經(jīng)濟(jì)性越好。

(2)底盆與球面底座有限元分析與校核

有限元分析(FEA)模擬支座承載、滑移、轉(zhuǎn)動(dòng)及其相互綜合的工況[6],對(duì)支座整體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行受力分析。與預(yù)期及以往經(jīng)驗(yàn)一樣,在支座承受最大載荷、發(fā)生最大位移及最大轉(zhuǎn)角的極限工況下,各零部件的受力及變形都達(dá)到最大。根據(jù)分析結(jié)果(圖4),在上座板轉(zhuǎn)近端,底盆的開(kāi)口邊緣受壓應(yīng)力最大為51.42 MPa,在同側(cè),球面底座壓應(yīng)力達(dá)到最大88.89 MPa,均在常用支座材料Q345B和ZG270—500的容許應(yīng)力范圍內(nèi),并且具有相當(dāng)?shù)陌踩６取?/p>

圖4 FEA支座極限工況應(yīng)力分布云圖

由于樣品是多向型,受水平力較小,但根據(jù)FEA進(jìn)一步計(jì)算,在模擬固定,單向支座受到設(shè)計(jì)值大小水平力時(shí),球面底座與底盆的受力情況與理論計(jì)算值吻合度較高,也在材料容許應(yīng)力范圍內(nèi)。這里不再贅述。

2.2 密封結(jié)構(gòu)及密封圈的設(shè)計(jì)

(1)密封結(jié)構(gòu)及密封圈的選擇對(duì)比

調(diào)高球形支座的重點(diǎn)與難點(diǎn)在于密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。若將底盆視為常見(jiàn)的液壓油缸的缸結(jié)構(gòu),將球面底座視為桿結(jié)構(gòu),則密封圈很容易想到采用液壓工程中廣泛采用的“U”型圈或“V”型圈,但在實(shí)際裝配過(guò)程中,由于上述2種密封圈需要在徑向上與缸、桿結(jié)構(gòu)過(guò)盈配合,裝配技術(shù)要求高,效率低,不是最優(yōu)的選擇。

株洲TMT采用自主設(shè)計(jì)的7型密封圈,總體密封結(jié)構(gòu)如圖5所示,實(shí)物示意見(jiàn)圖6,7型圈在徑向上無(wú)需過(guò)盈配合,裝配技術(shù)難度大大縮小,裝配效率也明顯提升。且與在徑向上規(guī)格相同(近)的標(biāo)準(zhǔn)U型圈和V型圈的相比,7型圈高度只有它們的60%左右,從而可以在支座實(shí)現(xiàn)同樣功能的情況下將整個(gè)支座的高度降低5%左右,具體對(duì)比見(jiàn)表1。

圖5 密封結(jié)構(gòu)及密封圈示意

圖6 密封圈實(shí)物

表1中支座質(zhì)量比例在很大程度上決定了支座成本的比例,根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可知,使用7型圈比使用標(biāo)準(zhǔn)V型圈或U型圈大約節(jié)約成本5%,具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。

表1 不同形式密封圈參數(shù)及對(duì)應(yīng)的支座參數(shù)比較

*注：V型圈參數(shù)采自GB—T10708.1,U型圈密封圈參數(shù)采自HG4-336-66,其余數(shù)據(jù)采自株洲TMT設(shè)計(jì)的TJQZ-T20-5000KN-DX工程試驗(yàn)樣品及推算值。

(2)7型圈的密封原理

安裝前,7型圈在徑向上無(wú)需與球面底座和底盆過(guò)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裝空間的高度。安裝過(guò)程中,密封圈先于支座球面底座安裝到位,此時(shí)密封圈基本沒(méi)有受力變形,支座球面底座需要進(jìn)一步安裝到位,即與底盆接觸。

安裝完成后,支座球面底座與底盆受力接觸,密封圈長(zhǎng)唇邊受壓變形,形成要在徑向及垂向伸展的趨勢(shì)。在徑向與配合件,包括球形支座中的底盆及球面底座,都擠壓變形成初始密封。

當(dāng)從注入口注入調(diào)高填充液態(tài)彈性材料時(shí),在支座上部結(jié)構(gòu)受高壓液壓力抬升(包含有抬升趨勢(shì))的過(guò)程中,在密封圈徑向內(nèi)側(cè)及端面,密封圈分別受密封圈內(nèi)力及高壓液壓力作用,與支座球面底座保持相對(duì)靜止,形成高壓靜密封。在密封圈徑向外側(cè),填充劑通過(guò)圖示中向上及向外側(cè)的液壓力進(jìn)一步壓迫密封圈長(zhǎng)唇邊向唇口腔退縮,使得長(zhǎng)唇邊占據(jù)的空間由長(zhǎng)到短變化或有其趨勢(shì),長(zhǎng)唇邊與底盆進(jìn)一步擠壓密貼,同時(shí)密封圈相對(duì)向上滑動(dòng),在徑向外側(cè)形成高壓動(dòng)密封。據(jù)上,已形成完全單向動(dòng)密封。

通過(guò)后續(xù)的試驗(yàn)驗(yàn)證可知,7型圈的密封效果理想,目前株洲TMT已對(duì)其申請(qǐng)專利[7]。

3 TJQZ-T注射式調(diào)高球形鋼支座的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)基本情況介紹

為了驗(yàn)證TJQZ-T注射式調(diào)高球形鋼支座調(diào)高性能的可靠性和其他基本性能,需對(duì)試制的TJQZ-T20-5000KN-DX支座進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,包括支座型式檢測(cè)試驗(yàn)和支座的調(diào)高試驗(yàn),試驗(yàn)在南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司新材料檢測(cè)中心橋梁支座專用檢測(cè)設(shè)備52 000 kN試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。型式檢測(cè)試驗(yàn)按照國(guó)標(biāo)《橋梁球形支座》(GB/T 17955—2009)附錄[8]進(jìn)行,對(duì)于調(diào)高試驗(yàn),因?yàn)槟壳皼](méi)有具體的標(biāo)準(zhǔn)參照?qǐng)?zhí)行,需要在確保能充分模擬實(shí)際工況的情況下自行設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法。

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

對(duì)整體試驗(yàn),考慮支座使用工況和支座調(diào)高前后都必須具備支座正常使用功能的基本要求,設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案為調(diào)高前后,都按《橋梁球形支座》(GB/T 17955—2009)附錄進(jìn)行型式試驗(yàn)。試驗(yàn)重點(diǎn)考察支座的基本性能與注射調(diào)高能力,弱化考察填充液態(tài)彈性材料的性能。

對(duì)調(diào)高試驗(yàn),調(diào)高設(shè)備為在外部液壓泵與TJQZ-T調(diào)高支座之間依次裝有壓力表、安全閥和高壓截止閥,填充液態(tài)彈性材料采用聚氨脂材料。

在調(diào)高試驗(yàn)中,支座的壓力加載,根據(jù)支座實(shí)際工況以及參考業(yè)內(nèi)盆式橡膠支座調(diào)高加載要求,制定了調(diào)高球形支座的調(diào)高試驗(yàn)加載要求：支座分別在承受0.5倍設(shè)計(jì)載荷至1倍載荷下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)注射調(diào)高,即在0.5倍設(shè)計(jì)載荷下開(kāi)始注射調(diào)高,然后在調(diào)高過(guò)程中,均勻?qū)毫虞d到1倍設(shè)計(jì)載荷。填充液態(tài)彈性材料在調(diào)高及固化過(guò)程中,不允許發(fā)生泄漏。

3.3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

TJQZ-T注射式調(diào)高球形鋼支座注射式調(diào)高球形鋼支座試驗(yàn)情況如圖7、圖8所示。

圖7 支座進(jìn)行動(dòng)態(tài)承壓調(diào)高試驗(yàn)

圖8 調(diào)高后支座承壓試驗(yàn)和壓轉(zhuǎn)試驗(yàn)后填充聚氨酯情況

在整個(gè)調(diào)高試驗(yàn)過(guò)程中,未見(jiàn)液態(tài)彈性材料(聚氨酯)的泄露,凝固后表面見(jiàn)少量氣泡,但是對(duì)承壓沒(méi)造成過(guò)大的影響,疑與調(diào)高試驗(yàn)操作工藝有關(guān)。調(diào)高前后型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 TJQZ-T支座調(diào)高前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)表2可以發(fā)現(xiàn)調(diào)高后支座功能正常,與調(diào)高前相比,豎向變形和徑向變形有所增加,但還在規(guī)定值范圍內(nèi)；而水平摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩則變小,有了更大的性能裕度。綜合看來(lái),支座調(diào)高前和調(diào)高后各項(xiàng)性能參數(shù)都完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,性能可靠。因而,TJQZ-T這一注射調(diào)高球形支座結(jié)構(gòu)是一理想的結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)TJQZ-T型調(diào)高球形鋼支座進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元仿真分析及設(shè)計(jì)實(shí)施模擬實(shí)際工況下支座承載的調(diào)高試驗(yàn)與型式試驗(yàn),初步驗(yàn)證了TJQZ-T這一調(diào)高球形支座技術(shù)的可行和性能的可靠性,是在注射調(diào)高球形支座研制方面的一次嘗試和突破,為全面應(yīng)用調(diào)高球形支座打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。特別是創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)采用一種特制的密封結(jié)構(gòu)及密封圈,在達(dá)到良好高壓液壓密封效果的同時(shí),帶來(lái)了安裝的便利性和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

同時(shí),如何選擇密封圈的材質(zhì),以保留球形支座鋼支座相較盆式橡膠支座具有耐老化及耐低溫脆性的優(yōu)越性；如何通過(guò)巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),降低調(diào)高球形支座滿載情況下調(diào)高啟動(dòng)時(shí)壓力偏大等問(wèn)題，都是值得更加深入研究探討并解決的問(wèn)題。

[1] 胡宇新,盧瑞林,等.CKPZ-T注射式調(diào)高盆式橡膠支座調(diào)高試驗(yàn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(12)：61-64．

[2] 張士臣.調(diào)高支座在客運(yùn)專線橋梁上應(yīng)用的研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2004(S1)：160-162．

[3] 莊軍生.橋梁支座[M].2版.北京：中國(guó)鐵道出版社,2000.

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

[5] 李楊海.公路橋梁支座設(shè)計(jì)計(jì)算與施工維護(hù)新技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社,2009.

[6] 李喬.橋梁支座有限元模型[J].工程力學(xué),2000(增刊)：657-660．

[7] 夏俊勇,郭紅鋒,胡宇新,李世珩,等.一種注射調(diào)高型橋梁鋼支座液壓密封方法及密封圈：中國(guó),CN201110214033.2[P].2011-07-29.

[8] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB/T17955—2009橋梁球形支座[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.