鐵路橋梁新型球型鋼支座防風(fēng)沙試驗(yàn)研究

宋曉東 陳 列 薛 鵬 鐘洪軍

(1.西南交通大學(xué)， 成都 610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031；3.成都亞佳工程新技術(shù)開發(fā)有限公司， 成都 610083)

我國的西北戈壁是由粗砂、礫石覆蓋在硬土層上形成的一種荒漠地形，其地表是由黃土和稍小粒徑的砂石混合組成的，比例大概為1:1，戈壁灘上還分布有少量的植被。當(dāng)風(fēng)力較小時(shí)，風(fēng)吹起的大多是塵土，風(fēng)力較大時(shí)則會(huì)出現(xiàn)風(fēng)挾沙的現(xiàn)象[1]。長時(shí)間的沙塵天氣會(huì)使鐵路橋梁支座結(jié)構(gòu)性能退化，甚至有可能導(dǎo)致支座功能失效。球型支座因具有使用壽命長、承載力大、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、可適應(yīng)梁端大轉(zhuǎn)角和大位移等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[2]。對于普通球型鋼支座來說，風(fēng)沙侵襲將細(xì)小沙礫帶入滑動(dòng)摩擦副和轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦副，當(dāng)少量沙塵聚集在摩擦副時(shí)，會(huì)加速耐磨板的磨損，最終導(dǎo)致支座摩擦副失效；當(dāng)大量沙塵聚集在摩擦副時(shí)，會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)急劇增加，從而導(dǎo)致支座喪失滑動(dòng)能力。因此，亟需開發(fā)一種具有防風(fēng)沙功能的新型橋梁支座來滿足運(yùn)營要求。

1 球型支座

1.1 普通球型鋼支座

國內(nèi)某型號(hào)的普通球型鋼支座結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 普通球型鋼支座結(jié)構(gòu)示意圖

該支座主要由上支座板(含平面不銹鋼板)、防塵罩裝置、平面耐磨板、球冠襯板(含球面不銹鋼板)、球面耐磨板、下支座板等部件組成，雖然設(shè)置有防塵罩裝置，但沒有完全密封，風(fēng)力較大并夾雜大量沙石時(shí)，風(fēng)沙極易進(jìn)入支座內(nèi)部，且其防塵罩裝置材料為橡膠，受風(fēng)沙侵蝕時(shí)容易磨損，使用壽命受風(fēng)沙的影響明顯。

1.2 新型球型鋼支座

新型防風(fēng)沙球型鋼支座結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括支座上支座板、平面耐磨板、球冠襯板、轉(zhuǎn)動(dòng)塊、球面耐磨板、彈性圍板、下支座板和調(diào)平螺栓等結(jié)構(gòu)。針對沙塵暴特點(diǎn)，新型球型鋼交座在支座四周設(shè)置全密封彈性包圍。全密封彈性包圍采用新型聚氨酯材料，使支座在位移過程中內(nèi)部始終保持密封狀態(tài)。支座滑動(dòng)板側(cè)面不銹鋼板與底面不銹鋼板一體成型，防止因粉塵聚集導(dǎo)致的摩擦性能失效，同時(shí)保證支座具有優(yōu)異的受力性能。

圖2 防風(fēng)沙球型鋼支座結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)方案

2.1 整體設(shè)計(jì)

支座本體采用 3 000 kN具有防風(fēng)沙性能的鐵路橋梁新型球型鋼支座，常規(guī)試驗(yàn)按TB/T 3320-2013《鐵路橋梁球型支座》[3]進(jìn)行。目前支座風(fēng)沙試驗(yàn)尚無規(guī)范或指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)可循，因此，本文根據(jù)支座設(shè)計(jì)目的自行設(shè)置符合使用環(huán)境的試驗(yàn)方法。

試驗(yàn)采用氣流挾沙噴射法模擬風(fēng)沙環(huán)境開展球型鋼支座防風(fēng)沙研究。試驗(yàn)系統(tǒng)由強(qiáng)力鼓風(fēng)系統(tǒng)、落沙系統(tǒng)(可控制下沙速率和存儲(chǔ)沙粒)、防護(hù)系統(tǒng)和沙塵回收系統(tǒng)組成,如圖3所示。試驗(yàn)的風(fēng)力來源為強(qiáng)力鼓風(fēng)機(jī)和喇叭口管道，其中鼓風(fēng)機(jī)為風(fēng)源，喇叭口管道起到風(fēng)力加強(qiáng)的作用。在試驗(yàn)中，強(qiáng)力鼓風(fēng)機(jī)的吹風(fēng)角度可根據(jù)試驗(yàn)要求的噴沙方向進(jìn)行調(diào)整。沙塵的濃度可通過落沙裝置實(shí)現(xiàn)，落沙裝置由內(nèi)漏斗形儲(chǔ)沙箱、支架、漏沙導(dǎo)管和漏沙槽組成，通過調(diào)節(jié)漏沙導(dǎo)管達(dá)到相應(yīng)的沙塵濃度。沙塵回收裝置由集沙板和移動(dòng)儲(chǔ)沙箱組成，沙塵落到集沙板后，通過集沙板回流至移動(dòng)儲(chǔ)沙箱，從而完成沙塵的回收。

圖3 風(fēng)沙試驗(yàn)裝置圖

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所使用的試驗(yàn)設(shè)備和儀器如表1所示。

本試驗(yàn)采用風(fēng)速為20 m/s，軸流式風(fēng)機(jī)出口實(shí)測風(fēng)速為13 m/s，因此，從軸流風(fēng)機(jī)送出的風(fēng)不能直接去吹落下來的沙塵，需采用設(shè)備將風(fēng)力提升至支座實(shí)際工作環(huán)境下的風(fēng)力大小，從而滿足試驗(yàn)的正常開展。風(fēng)機(jī)出口直徑為0.815 m，根據(jù)不可壓縮流體流動(dòng)的連續(xù)性方程，可得：

表1 主要的試驗(yàn)設(shè)備及儀器表

(1)

再根據(jù)面積公式，可得出風(fēng)口直徑：

(2)

式中：v1——軸流風(fēng)機(jī)出口的風(fēng)速；

v2——喇叭口出口的風(fēng)速；

A1——軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口面積；

A2——喇叭口送風(fēng)袋出口面積；

d2——喇叭口管道出口直徑。

根據(jù)以上計(jì)算，可確定風(fēng)力加強(qiáng)設(shè)備的尺寸大小，喇叭口的尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 喇叭口管道尺寸參數(shù)表

表面粗糙度測量采用T1000A型便攜式表面粗糙度測量儀，其取樣長度為0.25 mm/0.8 mm/2.5 mm，量程為±50 μm/±25 μm/±10 μm，最小分辨率為0.005 μm，評定長度為N倍取樣長度(N=1，2，3，4，5)。

2.3 試驗(yàn)環(huán)境模擬

風(fēng)沙試驗(yàn)要符合支座設(shè)計(jì)的使用環(huán)境，可從試驗(yàn)風(fēng)速、試驗(yàn)沙塵和試驗(yàn)時(shí)間3個(gè)方面進(jìn)行控制，模擬支座的真實(shí)使用環(huán)境。

2.3.1風(fēng)速模擬

由JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]可知，西北地區(qū)50年重現(xiàn)期下的最大風(fēng)速值多數(shù)分布于20～ 30 m/s之間，強(qiáng)沙塵暴的風(fēng)力等級大于9級，風(fēng)速大于20 m/s，弱沙塵暴的風(fēng)力等級小于6級[5]。試驗(yàn)選取強(qiáng)沙塵暴作為實(shí)驗(yàn)條件，風(fēng)速為20 m/s。

2.3.2沙塵模擬

沙塵濃度是表征沙塵暴強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)，沙塵濃度是指在1次沙塵暴發(fā)生時(shí)出現(xiàn)的最大濃度。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果[6]，基于顆粒物濃度的沙塵天氣分級如表3所示。試驗(yàn)選取強(qiáng)沙塵暴作為試驗(yàn)條件。

表3 基于顆粒物濃度的沙塵天氣分級表(mg/m3)

試驗(yàn)過程中通過控制下沙率來模擬新疆百里風(fēng)區(qū)的沙塵濃度。根據(jù)流體力學(xué)中定義，將風(fēng)沙流看作連續(xù)介質(zhì)，風(fēng)沙流的流量Q表達(dá)式為：

Q=Aν

(3)

式中：Q——流體的流量，試驗(yàn)中為輸沙率；

A——過流橫截面面積，即將風(fēng)沙流看做連續(xù)均勻的介質(zhì)且每顆沙子保持同一速度，當(dāng)風(fēng)沙出口至試件表面距離一致時(shí)，沙流沖擊到試件表面的面積；

ν——試件表面的風(fēng)速。

沙塵濃度表達(dá)式為：

(4)

式中：S——試驗(yàn)挾沙氣流的沙塵濃度；

M——下沙率。

試驗(yàn)通過沙箱底部沙量控制閥控制下沙率，從而控制試驗(yàn)過程中的沙塵濃度，本次試驗(yàn)采用的下沙率為20 g/min(理論計(jì)算結(jié)果)。

沙粒粒徑是表征沙塵暴強(qiáng)度的重要參數(shù)。根據(jù)一般規(guī)律，離地表越高，細(xì)顆粒的含量越多，沙粒主要為懸浮狀態(tài)；反之，越接近地表，則沙粒直徑越大。風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的起沙基本方式有懸移、躍移和蠕移3種。蠕移的沙粒直徑范圍為500～1 000 μm，由于沙粒太重，只能在表層滾動(dòng)移動(dòng)，不能進(jìn)入風(fēng)中。躍移顆粒的直徑范圍為100～500 μm，當(dāng)起動(dòng)風(fēng)速為5 m/s時(shí)，便可發(fā)生躍移。懸移粒徑的直徑通常小于100 μm，這些顆粒容易被大風(fēng)帶到空中懸移，從而被風(fēng)輸送，有時(shí)輸送距離會(huì)很大。根據(jù)烏魯木齊鐵路局提供的資料并結(jié)合支座使用環(huán)境，選取新疆百里風(fēng)區(qū)離地面9 m處沙粒粒徑分布情況(如表4所示)作為試驗(yàn)條件。

表4 新疆百里風(fēng)區(qū)離地面9 m處沙粒粒徑分布情況表

2.3.3試驗(yàn)時(shí)間模擬

根據(jù)陶健紅[7]西北地區(qū)各月區(qū)域平均沙塵日數(shù)的研究成果，得出其年沙塵日數(shù)為37.8 d。根據(jù)鄭廣芬等人[8]的研究成果可知，近年來西北地區(qū)東部沙塵暴平均日持續(xù)時(shí)間最長為131 min。由計(jì)算可知，西北地區(qū)1年的沙塵天氣總時(shí)間為82.53 h。按照每5 a的周期計(jì)算，室內(nèi)每天的試驗(yàn)時(shí)間為9 h，試驗(yàn)總時(shí)間約為1.5月。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 磨蝕性能分析

采用目測法檢測兩種支座的外觀質(zhì)量，采用測量工具對兩者的幾何尺寸變化情況進(jìn)行檢測。經(jīng)觀察，試驗(yàn)結(jié)束后，兩種支座的外觀幾何尺寸變化不明顯，說明風(fēng)沙并不會(huì)對支座幾何尺寸產(chǎn)生明顯影響。

使用表面粗糙度測量儀對試驗(yàn)后兩種支座的彈性圍板進(jìn)行測量，最大磨蝕深度(Rv)測量結(jié)果如表5所示。

表5 彈性圍板最大磨蝕深度(um)

從表5可以看出，防風(fēng)沙支座彈性圍板最大磨蝕深度為1.71 um，根據(jù)耐嚴(yán)寒防沙塵球型支座迎風(fēng)側(cè)擋板最大磨蝕深度Rv的擬合公式，此種支座最大磨蝕深度大于1 mm時(shí)的時(shí)間為30 a，最大磨蝕深度大于2 mm的時(shí)間為37 a(防風(fēng)沙型擋板厚度為2～3 mm)。普通支座圍板最大磨蝕深度為2.31 um，根據(jù)擬合公式，此種支座磨蝕深度大于1 mm時(shí)的時(shí)間為25 a，最大磨蝕深度大于2 mm時(shí)的時(shí)間為30 a。

3.2 風(fēng)沙侵入程度分析

將球型支座外表面附著的沙塵用清掃工具清除干凈，采用工具將支座開啟，稱量支座內(nèi)的風(fēng)沙侵入量，結(jié)果如表6所示。

表6 球型支座沙塵侵入量統(tǒng)計(jì)表

從表6可知，防風(fēng)沙支座開啟檢查時(shí)，風(fēng)沙侵入量為0 g，故支座基本不會(huì)因沙塵侵入而失效；普通支座3 a開啟檢查時(shí)，球面不銹鋼板上表面的風(fēng)沙量為6.17 g，下支座板滑動(dòng)面的風(fēng)沙量為7.25 g；5 a開啟檢查時(shí)，球面不銹鋼板上表面的風(fēng)沙量為11.39 g，下支座板滑動(dòng)面的風(fēng)沙量為13.31 g，故較易發(fā)生沙塵侵入。

3.3 支座失效分析

試件在風(fēng)沙試驗(yàn)完成后，即按照TB/T 3320-2013《鐵路橋梁球型支座》附錄D要求進(jìn)行摩擦系數(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 球型鋼支座摩擦系數(shù)表

TB/T 3320-2013《鐵路橋梁球型支座》 5.1.4規(guī)定：常溫型支座摩擦系數(shù)應(yīng)小于等于0.03，耐寒型支座摩擦系數(shù)應(yīng)小于0.05。從試驗(yàn)結(jié)果可知，防沙塵支座摩擦系數(shù)仍滿足要求，普通支座在加速時(shí)間為3 a時(shí)，摩擦系數(shù)為0.033，在常溫地區(qū)使用時(shí)已失效；加速時(shí)間為5 a時(shí)，摩擦系數(shù)為0.053，在嚴(yán)寒地區(qū)使用時(shí)已失效。

4 結(jié)論

本文通過對新型球型鋼支座開展室內(nèi)風(fēng)沙侵蝕加速試驗(yàn)，模擬支座在西北風(fēng)沙地區(qū)5 a的風(fēng)沙侵蝕情況，并與普通球型支座進(jìn)行對比試驗(yàn)，得出結(jié)論如下：

(1)防沙塵新型球型支座在5 a的沙塵環(huán)境中，支座擋板的最大磨蝕深度Rv為1.71 μm，風(fēng)沙對其表面的磨蝕程度較普通球型支座要小。

(2)防沙塵新型球型支座的防風(fēng)沙性能好，支座開啟檢查時(shí)風(fēng)沙侵入量為0 g，而普通球型支座球面不銹鋼板上表面有大量風(fēng)沙侵入。

(3)防沙塵新型球型支座在5 a期內(nèi)摩擦系數(shù)沒有明顯變化，而普通球型支座在5 a時(shí)支座已失效。