高纬度地区铁路桥梁新型球型钢支座设计与试验研究

宋晓东，陈 列，薛 鹏，钟洪军

(1.西南交通大学 土木工程学院,四川 成都 610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；3.成都亚佳工程新技术开发有限公司，四川 成都 610083)

随着现代铁路建设力度的加大和覆盖区域的增加，铁路线路逐渐由低纬度向高纬度地区延伸。新疆、内蒙古等高纬度地区冬季寒冷，最低气温接近-43 ℃，夏季昼夜温差大，且远离海洋、气候干燥、沙漠广阔，是沙尘暴的多发区。因此，这些地区桥梁支座的设计不能采用普通支座，需要开发具有耐寒和防风沙的新型桥梁支座才能满足运营要求。常规球型钢支座因具有转动灵活、耐久性好等优点已广泛应用于铁路桥梁建设中[1]。在低温环境下，现有球型钢支座滑动摩擦副和转动摩擦副中涂抹的润滑硅脂容易冻结，且受风沙侵入，加速了耐磨板的磨损，最终导致支座失效。

《桥梁球型支座》(GB/T 17955—2009)[2]和《铁路桥梁球型支座》(TB/T 3320—2013)[3]的支座适应温度范围为-40～60 ℃，不能满足高纬度地区低温要求。本文对我国高纬度地区的铁路桥梁支座适应性进行研究，通过优化设计通用的TQZ型球型钢支座，开发出适应严寒及风沙环境下的新型球型钢支座，并通过一系列试验验证其性能。

1 支座构造特点

国内常用的TQZ型球型钢支座如图1所示，该支座满足GB/T 17955—2009的要求，但不能满足高纬度地区温度变化。TQZ型球型钢支座虽设置了防尘罩装置，但没有完全密封。高纬度地区，一般风力较大并夹杂大量沙石[4]，风沙极易进入支座内部，而且现有防尘罩装置材料多为橡胶，在昼夜温差大和干燥的环境下容易老化失效。

1-上支座板； 2-平面耐磨板； 3-球冠衬板； 4-球面耐磨板； 5-下支座板图1 TQZ型球型钢支座

针对我国高纬度地区支座应具有耐严寒、抗大温差和相应防风沙性能，本文研发了耐寒防风沙球型钢支座，见图2。该支座主要由上支座板、平面耐磨板、球冠衬板、球面耐磨板、下支座板等组成。通过上支座板与球冠衬板间的平面滑动实现水平滑移，通过下支座板与球冠衬板间的球面接触实现转动功能。通过设置在支座上支座板与下支座板之间的弹性围板实现支座的防尘功能，保证支座的耐久性。通过设置下支座板上的调平螺栓实现支座在安装时的平整度要求。

1-上支座板; 2-平面耐磨板; 3-球冠衬板; 4-转动块; 5-球面耐磨板; 6-弹性围板; 7-下支座板; 8-调平螺栓图2 耐寒防风沙球型钢支座

2 支座的设计

现有的球型支座设计与研究[5-6]为设计出满足桥梁结构受力要求的支座提供了指导意见，但常规支座在选材和结构[7]上没有考虑高纬度地区严寒、风沙等恶劣环境，支座性能和使用寿命大大降低。高纬度铁路桥梁球型钢支座应满足严寒条件下支座的使用性能，因此设计的主要工作是选择支座材料及构造设计，并验证其使用性能。

2.1 耐寒设计

根据严寒和大温差的特点，支座上支座板、球冠衬板和下支座板钢材采用耐寒型Q345E[8]钢材，以保证支座的低温冲击性能。针对超低温环境开发了摩擦副结构，并在支座耐磨板储油槽内部填充新型高抗冻性硅脂。该新型硅脂在-50 ℃ 状态下也不会冻结，仍然能够保持良好的润滑性能，保证了支座在低温环境下的滑动和转动性能。支座防腐涂装根据《铁路钢桥保护涂装及涂料供货技术条件》(TB/T 1527—2011)[9]第7套涂装体系专门研制，具有良好的耐候性能、耐干燥性能、耐低温性能及高低温冲击性能。

2.2 适用性设计

针对严寒地区施工难度大、支座安装不便等问题，特别是在支座调平时很难达到TB/T 3320—2013中规定的支座平置且四角高差不应大于2 mm的要求。本文通过在支座下支座板底面设置调平螺栓(采用机械式调整)，实现了无极调整(即连续调节，没有最小调节单位)。同时，在调平螺栓上配备限位器，避免因工作人员疏忽而导致螺栓脱落，可提高支座安装效率。

3 试验研究

3.1 硅脂试验

根据《Petroleum Products and Lubricants-Determination of Cone Penetration of Lubricating Greases and Petrolatum》(ISO 2137—2007)[10]制备试验样品，并进行“工作锥入度”检测；根据《Petroleum Products-Lubricating Grease-Determination of Dropping Point》(ISO 2176—1995)[11]制备试验样品，并进行“滴点”检测；根据《Structural Bearings-Sliding Elements》(EN 1337-2：2004)[12]制备试验样品，并进行“油离度”、“氧化安定性”和“倾点”检测。

试验在湖南省轨道交通高分子材料及制品质量监督检验中心进行，硅脂性能测试要求和测试结果见表1。可知，测试结果均能满足ISO 2137—2007，ISO 2176—1995和EN 1337-2：2004规范中的技术要求。

表1 硅脂性能测试要求和测试结果

3.2 油漆试验

根据《色漆和清漆 漆膜的划格试验》(GB/T 9286—1998)[13]制备4块标准试验样品，漆膜厚度为256～311 μm。耐低温试验条件为-50 ℃ 静置3 h，然后在30 min内线性变化到23 ℃。在23 ℃环境下静置2 h为1个循环，共进行20个循环。最后测定耐低温后附着力；普通环境试验条件为(23±5)℃静置2 h，然后按照GB/T 9286—1998的要求测定附着力。

试验在湖南省轨道交通高分子材料及制品质量监督检验中心进行，油漆测试结果见表2。可知，经过20个循环后油漆仍完好，油漆附着力达到令人满意的0级。

表2 油漆测试结果

3.3 成品支座试验

3.3.1 试验准备

为了验证支座结构设计能否满足高纬度地区桥梁的运行的需要，特委托湖南大学土木工程学院依据TB/T 3320—2013、欧洲标准《Structural Bearings-Spherical and Cylindrical PTFE Bearings》(EN 1337-7：2004)[14]和GB/T 9286—1998对支座进行系统测试。采用设计竖向反力为250 kN、支座总高为100 mm的纵向成品支座作为试件，模拟了低温工况下支座性能试验。

3.3.2 支座抗冻性能试验

将试件置于-55 ℃低温环境中15 d，取出后在1 h 内完成支座油漆附着力试验；再将试件置于-65 ℃ 低温环境中96 h，取出后在1 h内完成支座油漆附着力试验，并查看硅脂凝固情况；最后将试件置于-75 ℃低温环境中96 h，取出后在1 h内完成支座油漆附着力试验，并查看硅脂凝固情况。

试验结果表明：在-55，-65，-75 ℃环境下，油漆涂层经划格试验后，切割边缘完全平滑，无一脱落；硅脂无凝固情况，仍保持细腻润滑，与常温无异。

3.3.3 支座竖向承载力试验

将试件置于-55 ℃环境中24 h，取出后在1 h内按照TB/T 3320—2013附录C进行试验。按照相同方法，分别在-65 ℃和-75 ℃时进行1次试验。竖向承载力试验结果见图3。

图3 竖向承载力试验结果

由图3可知：在3个温度工况下，试件的竖向承载力几乎没有任何变化；在50 kN的荷载下，试件几乎没有竖向变形；在250 kN的荷载下，试件最大竖向变形为0.94 mm，小于支座总高的1%，满足规范TB/T 3320—2013中5.1.1节竖向压缩变形不大于2 mm的要求；在350 kN的荷载下，支座无损坏。

3.3.4 支座转动力矩试验

支座实测转动力矩应小于TB/T 3320—2013中规定的-40～-25 ℃ 最大摩擦系数下的计算力矩 1 675 N·m。将成品支座置于-55 ℃环境中24 h，取出后在1 h 内按照TB/T 3320—2013附录E进行试验。支座实测转动力矩为 1 530 N·m，满足要求。

3.3.5 支座摩擦系数试验

将试件置于(-60±5) ℃环境中24 h，取出后在1 h 内按照TB/T 3320—2013附录D进行试验，规范5.1.5节中规定在-40～-25 ℃时，摩擦系数≤0.05。摩擦系数试验结果见表3。可知，支座满足规范要求。

表3 摩擦系数试验结果

4 结论

1)高纬度地区铁路桥梁新型球型钢支座与普通支座力学计算原理相似，可根据国内相关规范进行设计，以满足国内通用安装图，方便后续桥梁设计中支座的选型。

2)新型球型钢支座满足了高纬度地区铁路桥梁适应严寒、温差大的特点，通过抗冻性能试验、竖向承载力试验、转动力矩试验、摩擦系数试验，验证了支座的可靠性满足规范要求。

3)高纬度地区铁路桥梁支座具有抗严寒和风沙的特点，支座所选主体钢材具有优良的低温冲击性能，能适应严寒的工程环境。采用高抗冻性硅脂满足了支座在严寒条件下的转动和滑动性能；采用新型表面涂装体系保证了支座在严寒和大风环境下的防护能力；采用全包围弹性围板满足了强风沙环境下的正常使用。

[1]裴荟蓉，佟嘉明，石秋君，等.可补充硅脂新型球型钢支座试验研究[J].铁道建筑，2014,54(5)：41-43.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 17955—2009 桥梁球型支座[S].北京：中国标准出版社，2005.

[3]中华人民共和国铁道部.TB/T 3320—2013 铁路桥梁球型支座[S].北京：中国铁道出版社，2013.

[4]葛盛昌，蒋富强.兰新铁路强风地区风沙成因及挡风墙防风效果分析[J].铁道工程学报，2009,26(5)：1-4.

[5]李军.超大吨位球型支座的结构设计[D].重庆：重庆大学，2006.

[6]何维,王少华,王广超,等.球型支座结构及性能研究[J].铁道建筑，2012,52(5)：14-16.

[7]石秋君，佟嘉明，臧晓秋，等.铁路桥梁球型支座[J].铁路技术创新，2015,55(2)：49-52.

[8]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 1591—2008 低合金高强度结构钢[S].北京：中国标准出版社，2005.

[9]中华人民共和国铁道部.TB/T 1527—2011 铁路钢桥保护涂装及涂料供货技术条件[S].北京：中国铁道出版社，2011.

[10]International Organization for Standardization.ISO 2137—2007 Petroleum Products and Lubricants-Determination of Cone Penetration of Lubricating Greases and Petrolatum[S].Switzerland:ISO,1995.

[11]International Organization for Standardization.ISO 2176—1995 Petroleum Products-Lubricating Grease-Determination of Dropping Point[S].Switzerland:ISO,1995.

[12]European Committee for Standardization.EN1337-2:2004，Structural Bearings-Sliding Elements[S].UK:British Standards Institution,2004.

[13] 国家质量技术监督局.GB/T 9286—1998 色漆和清漆 漆膜的划格试验[S].北京：中国标准出版社，1999.

[14]European Committee for Standardization.EN1337-7:2004 Structural Bearings-Spherical and Cylindrical PTFE Bearings[S].UK：British Standards Institution,2004.