120 MN橋梁支座試驗機新型機架結構設計

劉岳兵，王少華，何 維，王廣超，劉昕銘

(西南交通大學 機械工程研究所，成都 610031)

橋梁支座是橋梁結構的一個重要組成部分［1］。支座失效，將會導致結構整體失效。如果支座選用不當，或設計不合理，其后果將在橋梁上部結構或下部結構中反映出來，造成上部或下部結構的破壞。隨著橋梁建設事業(yè)的發(fā)展，大型和特大型橋梁支座的應用越來越多，鐵道部先后提出了盆式橡膠支座試驗標準、球型支座試驗標準［2-3］。目前國內外都沒有大型支座試驗機(≥60 MN)，而大型橋梁支座的研發(fā)、生產(chǎn)檢驗和檢測又迫切需要大型支座試驗機。因此，設計研發(fā)用于大噸位支座的試驗機具有重大實際意義。

1 橋梁支座試驗機國內外研究現(xiàn)狀

目前支座試驗設備主要是用于驗證中、小噸位支座的強度、剛度是否足夠，很難系統(tǒng)地試驗、研究大噸位支座的各項性能。現(xiàn)階段國內最大球形支座設計載荷已達180 MN，國內只有株洲時代新材料科技股份有限公司于2006年從意大利引進的最大噸位為52 MN的支座試驗機，如圖1所示，無法滿足大噸位支座的試驗要求。某支座生產(chǎn)企業(yè)順應鐵路和橋梁建設的發(fā)展，于2008年初決定研制120 MN支座試驗機，以填補國內外的空白。經(jīng)過西南交大和該企業(yè)技術人員一年多的努力工作，該試驗機設計已初步完成，即將是世界上最大噸位的橋梁支座動靜態(tài)加載試驗機。

2 120 MN橋梁支座試驗機功能介紹

圖1 52 MN試驗機主機

所研制的120 MN支座試驗機是大型、三維加載試驗機系統(tǒng)，是專門用于橋梁支座研發(fā)、生產(chǎn)檢測檢驗的試驗機，適用于各種大噸位橋梁支座的性能試驗。該試驗機能進行各種橋梁支座的靜態(tài)垂向承載試驗、靜態(tài)壓轉性能試驗、靜態(tài)水平承載試驗和水平摩擦性能試驗等，也能進行橋梁支座產(chǎn)品的垂向動態(tài)性能測定、產(chǎn)品的剛度、阻尼和疲勞等性能試驗，還能進行橋梁大位移支座的水平及垂向動態(tài)性能試驗測定。試驗機主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 試驗機動靜態(tài)主要性能參數(shù)

3 橋梁支座試驗機機架結構方案介紹［4］

試驗機機架結構是主要的受力部件，占總制造成本的比重大。不但要滿足強度的要求，還應滿足剛度的要求。試驗機的動態(tài)試驗性能，取決于機架的整體剛度。合理的機架結構方案是本試驗機研制的關鍵。

3.1 傳統(tǒng)鋼結構框架式機架結構

傳統(tǒng)的大型壓力機機架結構是將上、下橫梁和兩側立柱分別制造，再用大型螺栓組合在一起，如圖2所示。這種形式的優(yōu)點是:技術成熟，國內外在大型水壓機上廣泛應用。不足是:單個零部件的重量大，制造、運輸和安裝成本高。在螺栓連接處出現(xiàn)較大的應力集中，這對整機結構的強度是非常不利的。

圖2 傳統(tǒng)組合框架式機架結構

3.2 預應力鋼絲纏繞機架結構

預應力鋼絲纏繞機架是由上、下拱形梁與兩側立柱組成，外面用高強度鋼帶一層層纏繞預緊，如圖3所示。這種結構的優(yōu)點在于:

1)結構輕巧、尺寸小，抗疲勞性能好，制造容易，成本低;

2)與一般機架相比，應力集中的部位較少。

不足在于:這種機架通常只有在縱向尺寸比較小的情況下才考慮采用;對于各個方向尺寸都較大的三維試驗機，采用這種方案預緊效果將不能得到保證，鋼絲纏繞操作比較麻煩。

3.3 預應力鋼筋混凝土機架結構

利用鋼筋混凝土結構來做機架的研究在國外20世紀50年代就已經(jīng)開始，現(xiàn)已取得一定成效，圖4是意大利ALGA公司提出的124 MN混凝土機架結構的方案。在我國，20世紀60年代以來，數(shù)家單位也先后研究并建造了十幾臺鋼筋混凝土結構的液壓機。這種結構機架有以下優(yōu)點:

納入標準包括以下幾方面：（1）按照文獻納入標準，全部14項研究均符合FAP的羅馬診斷標準。其中，采用羅馬Ⅱ標準4項（28.57%），羅馬Ⅲ標準10項（71.43%）；（2）所有研究納入的患兒年齡下限為4～8歲，上限為15～18歲；（3）3項研究對基線腹痛程度進行限定，其中2項要求VAS評分大于25 mm，1項要求大于40 mm；（4）10項研究明確要求簽署知情同意書。

1)大量節(jié)約金屬，與鋼鐵式比較，約可節(jié)約金屬材料50% ～70%;

圖3 預應力鋼絲纏繞機架

2)降低成本，由于大型鑄、鍛件及其加工費用昂貴，這種結構可以節(jié)約成本也達50% ～70%;

3)鋼筋混凝土結構可以現(xiàn)場澆筑，操作非常方便，制造周期可以縮短一半以上。

鋼筋混凝土結構的缺點在于:大截面預應力混凝土施工技術要求高，結構體積龐大、不能拆卸搬遷等。

圖4 鋼筋混凝土機架結構

3.4 本試驗機機架結構方案

如圖5所示，新方案中試驗機機架由四個相同的鋼結構框架組并排組合而成，4個框架之間通過作用在立柱上的限位框和橫梁上的預應力拉桿進行縱向聯(lián)結，每個框架組又主要由圖中所示幾部分所構成。結構原理如下:一方面，定位板焊接在上下橫梁上，空心立柱插入在定位板間來支撐橫梁，這樣立柱在水平方向的自由度被定位板約束。另一方面，在立柱和橫梁接觸部分開一定尺寸的孔，使得預應力錨具能夠通過橫梁和立柱的內部，從而在上下兩端施加一定大小的預應力來將橫梁和立柱緊緊壓合在一起。原則上，只要保證預壓應力大于以后的豎向最大試驗載荷，立柱和橫梁之間就不會脫開。同上述方案相比，該方案的主要優(yōu)點如下:

1)新型組合式結構，大大減少了單個零部件的重量，給制造、安裝、運輸、維護以及拆卸搬遷等帶來了極大的方便;

圖5 120 MN試驗機機架模型

3)該方案機架具有較大的整體剛度，有利于液壓系統(tǒng)的布置以及試驗精度的控制。

4 試驗機機架結構設計［5-6］

4.1 預緊力設計

試驗機設計最大試驗荷載為120 MN，預緊力Fy的大小可通過預緊系數(shù)進行計算，F(xiàn)y=120 MN×預緊系數(shù)。一般預緊力可取為公稱力(載荷)的1.3～1.5倍，本方案中預緊系數(shù)取為1.4。根據(jù)預緊力和鋼絞線的容許破斷應力可計算提供此預緊力的鋼絞線總截面積，為后面選擇預應力錨具作參考。本方案中采用55孔預應力錨具，每根立柱和橫梁連接部分用4個錨具固定，見圖6。每個錨具上有55束鋼絞線，該型號錨具上單束鋼絞線的截面積約為140 mm2，鋼絞線的破斷應力為1 860 MPa，初始預緊時設定為910 MPa(910/1 860≈0.49<0.50)。

圖6 預應力錨具在橫梁上的布置示意

4.2 立柱結構

考慮到立柱的內部要穿過一定直徑的鋼絞線，為了保證在等量材料的情況下立柱內部空間較大，采用正方形截面形式的空心立柱。參考相關設計要求，初步確定相關參數(shù)如下:邊長850 mm，壁厚75 mm，預緊力取為1.4倍的載荷力。該方案中立柱始終處于受壓狀態(tài)，沒有試驗載荷時，立柱只受預緊力作用，這時立柱內部的應力最大。

4.3 橫梁結構

如圖5中所示，整個橫梁結構由四塊窄橫梁組合而成，通過墊板傳遞載荷來讓四塊窄橫梁共同承擔。由于試驗加載時，載荷主要集中在墊板中部區(qū)域，故初步計劃中間兩塊窄橫梁各承受40 MN的載荷，兩邊橫梁各承受20 MN。考慮到該試驗機上日后還要進行壓轉試驗，到時兩端橫梁承載將較大，為安全起見，最終四塊窄橫梁均按承受40 MN載荷的條件來設計。

為了減輕重量，根據(jù)“等強度梁”的概念，在局部采用變截面形式，即中間部分橫梁高度高，兩端橫梁高度低。參考同類型其它壓力機的情況，確定參數(shù)如下:橫梁長度為5 500 mm，上、下底板厚度均為200 mm，梁的寬度B=1 000 mm，腹板的厚度為75 mm。

5 結論

1)提出的120 MN橋梁支座試驗機新型預應力機架結構設計方案，將是世界上最大噸位的橋梁支座動靜態(tài)加載試驗機機架方案。

2)該試驗機機架結構新穎，具有以下幾個優(yōu)點:①新型組合式鋼結構機架，大大減少了單個零部件的重量，給制造、安裝、運輸和維護帶來了極大的方便;②采用鋼絞線施加預應力來將橫梁和立柱緊密連接，從而在連接處不會出現(xiàn)較大應力集中現(xiàn)象，大大地改善了機架結構的受力狀況，從而有利于提高其壽命;③該方案最終機架的相對變形較小，有利于液壓系統(tǒng)的布置以及試驗精度的控制。

3)預緊力預緊方案、立柱以及橫梁的設計計算表明，此方案合理、可行。

［1］莊軍生.橋梁支座［M］.北京:中國鐵道出版社，2000.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB/T 2331—2004 鐵路橋梁盆式橡膠支座［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［3］國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 17955—2009 橋梁球型支座［S］.北京:中國標準出版社，2009.

［4］俞新陸.液壓機的設計與應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［5］李慶華.材料力學［M］.成都:西南交通大學出版社，2005.

［6］中華人民共和國建設部.GB50017—2003 鋼結構設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.