鐵路球型調高支座的設計與試驗研究

曾永平 楊國靜 劉海亮

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.成都市新筑路橋機械股份有限公司， 成都 610031)

近年來，中國高速鐵路迅猛發展，京津、武廣、鄭西、滬寧、滬杭、京滬等無砟高速鐵路相繼開通運營，且橋梁在線路中所占比例較高。為確保高速鐵路行車安全性和旅客舒適性，TB 10002-2017《鐵路橋涵設計規范》[1]明確要求橋梁結構須具有較高的平順度。然而，受溫度、收縮徐變和基礎不均勻沉降等因素影響，處于自然界中的橋梁結構不可避免地會發生沉降變化，若不采取措施，橋梁上部結構扭曲，出現支座脫空，梁體內力重新分布，直接影響到列車動力效應，進而影響旅客乘坐舒適性和安全性。

當前鐵路客運專線大量應用了無砟軌道技術，無砟軌道扣件的調高量有限，僅為毫米級。為解決下部結構的不均勻沉降變化，工程上常采用高度可調整支座。本文在對已有成果對比分析的基礎上，結合實際工程需求，研發了一種新型楔形板調高支座，該支座構造簡單，可實現高度的無級調整，對確保列車運行的舒適性與安全性、減少橋梁與軌道結構次內力有著重要意義。

1 調高方案分析

目前支座常用的調高方式有液壓調高、螺旋機械調高和楔形板調高[2]。針對3種方案的優缺點，本文進行了詳細的分析對比。

(1)液壓調高方案[3-4]

液壓調高方案是近幾年已經成功在客運專線上應用的新型調高技術。該調高方案是通過在外部設置一壓力泵與支座內部管道連接，用高壓將特殊填充材料注射到支座內部盆腔，將嵌入底盆的盆塞(底座)頂升，填充材料在常溫下就可在盆腔內固化成為支座的一承載部件，以此來實現支座的高度調節。方案示意如圖1所示。

圖1 液壓填充調高方案(mm)

該方案優點為：①支座本身可作為頂升元件，高度調節幅度較大；②結構緊湊，所需操作空間小，頂升力可控。其缺點為：①可能發生液體泄漏現象，影響支座的耐久性；②只能進行調高而不能進行調低；③填充材料需要一定時間固化；④調節次數有限；⑤支座后期更換不方便。

(2)螺旋機械調高方案

螺旋機械調高是支座內部加工出內外螺紋，依靠螺紋的旋合來進行支座的調高或調低。其缺點是支座調高后，所受豎向力由螺紋部分承擔，故對螺紋強度要求較高，同時由于螺紋間存在間隙，在長期交變荷載的作用下，易產生疲勞問題。因此，螺旋機械調高不能用于承載力大的支座，且須保證螺紋不會銹蝕，調高難度巨大，結構如圖2所示。

圖2 螺旋機械調高方案

(3)楔形板調高[5]

楔形板調高通過將下支座板制作成兩塊互相配合的楔形面，在一定壓力狀態下通過外力拉動或推動楔形板運動，在達到理想狀態時再鎖定調節螺母，從而達到對整個支座的調高或調低要求，結構如圖3所示。

圖3 楔形板調高方案(mm)

楔形板調高方案的優勢在于：①楔形板調高方案既可調高又可調低，原理簡單，方便可行；②更換支座容易，只需對楔形板卸載調低即可；③配合液壓千斤頂可實現支座反力的測定；④可精確測定調高量，精度可達0.1 mm。

通過3種調高方案的比較可知，楔形板調高方案更適于鐵路橋梁結構，不論是創新性還是實用性方面，都是鐵路橋梁球型調高支座的最佳調高方案。

2 球型調高支座的構造及工作原理

2.1 球型調高支座的構造

球型調高支座結構主要是在普通8360、8361鐵路橋梁球型支座基礎上，增加了楔形調整面，并設置了調整構件，形成無級調高。

它主要由上支座板、球冠襯板、下支座板、楔形調整板、底座板、不銹鋼滑板、豎向承壓滑板等部分組成，同時還包括錨固連接結構和密封防塵裝置等配套構件，其構造如圖4所示。

1.調高鋼板; 2.上支座板; 3.平面滑板; 4.密封圈Ⅰ; 5.球冠襯板; 6.密封圈Ⅰ; 7.球面滑板; 8.下支座板; 9.楔形板組件; 10.底板; 11.套筒; 12.錨栓; 13.銘牌; 14.螺栓圖4 鐵路橋梁簡支梁固定球型調高支座結構示意圖

按結構分為固定支座(GD)、縱向活動支座(ZX)、橫向活動支座(HX)和多向活動支座(DX)4種基本型式。

2.2 球型調高支座的工作原理

(1)調高方式

下支座板平放在楔形塊平面上，底板上設置有楔形面，楔形面與楔形塊配合，形成楔形高度調整面。支座需進行高度微調時，擰緊或擰松調整螺桿，使得楔形塊向支座內側或外側滑移而抬高或降低支座高度，達到支座高度微調的目的。同時，通過設置支座梁底調整墊板厚度尺寸，可增大支座的高度調整范圍。

(2)縱、橫向水平力的傳遞

下支座板下側及底板側面設置有豎向導向塊，將支座橫向水平力通過導向塊傳遞給底板并擴散到混凝土中。

下支座板及底板縱橋向兩側均有凹槽，楔形塊置于上下凹槽中，形成了縱向剪力鍵，從而將橋梁縱向水平力傳遞給底板并擴散到混凝土中。

(3) 楔形塊鎖止功能

楔形塊斜度為1∶15，配合面靜態摩擦系數0.15，動態摩擦系數0.075，均大于斜面斜度0.067，從而形成自鎖，支座在受豎向力時楔形塊不會滑動。同時楔形板組件中設置有螺旋鎖止裝置，支座在工作動載作用下，楔形塊不會滑動。

3 球型調高支座的設計

3.1 滑板材料的選擇

球型支座主體結構由鋼構件和高分子滑板材料組成，鋼構件按照設計要求進行防腐處理和正常的養護完全能夠滿足使用壽命要求，支座的使用壽命關鍵在于高分子滑板材料的承載應力和磨耗性能是否滿足設計要求。

鐵道行業標準TB/T 2330-2013《鐵路橋梁球型支座》[6]中規定的滑板材料為聚四氟乙烯板或改性超高分子量聚乙烯板。通過對兩種滑板材料的承載應力和磨耗性能進行專門的對比試驗后，決定球型調高支座的滑板材料采用改性超高分子量聚乙烯滑板。該材料的設計容許應力是聚四氟乙烯的2倍，耐磨性能是聚四氟乙烯的5倍以上，滿足了鐵路動載相對較大以及高速鐵路高耐磨的要求。

3.2 球面包覆不銹鋼板結構設計

支座球冠襯板凸球面選擇采用球面包覆不銹鋼板，具有球面光潔度高，轉動摩擦系數小等特點，且提高了支座的耐腐蝕能力，延長了支座的使用壽命。

3.3 雙層密封防護結構設計

為確保支座外部防護結構耐久、可靠，本方案采用了“聚四氟乙烯涂覆玻璃布+不銹鋼護罩”雙層密封防護結構對支座進行保護。具體結構如圖5所示。

圖5 雙層密封防護結構設計示意圖

內層采用預壓縮聚醚聚氨酯彈性體對滑動和轉動摩擦副進行密封保護；外層采用低溫性能優良的聚四氟乙烯涂覆布進行防護，并在調整螺栓桿上套有塑料軟管，對螺桿進行有效防護。該構造具有耐高低溫性能好，工作溫度范圍廣(-70 ℃～+260 ℃)，表面摩擦系數小，絕緣性好，抗粘性好，耐腐蝕性好等特點。

3.4 有限元模型驗證

為了驗證支座結構的設計，保證結構的可靠性和安全性，采用ANSYS有限元軟件模擬仿真了支座各零部件的受力。所有部件均用實體單元建模，單元類型為二次四面體和二次六面體，模型如圖6所示。

圖6 支座模型圖

為模擬支座在實際工作中的受力狀況，在支座上部設置高1.5 m，長8 m的梁體模型、下支座下部設置足夠大小的實體模型模擬墩臺進行荷載傳遞，在梁體上表面施加均布荷載。楔形塊的等效應力圖如圖7所示。

圖7 楔形塊等效應力云圖

支座各部件計算結果表明，支座總體受力狀態良好，各主要鋼部件最大等效應力均不超過 200 MPa，2個聚四氟乙烯滑板部件最大等效應力均處于安全應力值范圍，進一步保證了支座的安全可靠性。

4 球型調高支座的調高試驗研究

為了驗證楔形板調高的可行性，開展了實體支座調高試驗。試驗采用50 t液壓千斤頂，用來加載豎向力和頂推支座楔形板，并通過壓力傳感器測定支座反力，如圖8所示。

圖8 調高試驗實物圖

4.1 楔形板自鎖功能測試

將測試支座調高至支座最大高度位置，先對支座按照50 t梯度階段加載，每階段加載完成后保持3 min，觀察楔形板是否發生位移。楔形板與支座如發生相對位移，停止試驗。如無相對位移，進行下一梯度階段加載，至加載400 t后保持10 min，確定楔形板與支座無相對位移，然后卸載。試驗結果表明，楔形板與支座無相對位移產生，自鎖功能優良。

4.2 調高測試

安裝50 t級壓力傳感器和液壓千斤頂。使用液壓千斤頂頂推楔形板，待支座反力達到1 t左右時保持1 min以消除間隙，間隙消除后繼續頂推楔形板，記下一定推力作用下的支座反力。之后進行支座的調低，液壓千斤頂拉出楔形板，記錄楔形板滑動瞬間液壓千斤頂的讀數。試驗結果表明，支座可實現高度的無級雙向調整。支座調高時，水力推力為豎向力值的40%～46%。通過頂推試驗確定系數比，可對支座的豎向力進行估算。

5 結束語

鐵路球型調高支座在常規球型鋼支座的基礎上，實現了4大技術改進。

(1)支座摩擦副材料采用改性超高分子量聚乙烯，顯著提高了設計容許應力和耐磨性能，滿足了鐵路動載相對較大以及高速鐵路高耐磨的要求。

(2)支座采用了球冠襯板凸球面包覆不銹鋼板，減小了轉動摩擦因素，提高了球面耐磨層厚度和耐蝕能力，保證了支座的使用壽命。

(3)支座采用內外雙層密封防護結構，確保了密封防護結構耐久、可靠。

(4)支座通過楔形塊進行高度調整，實現了支座高度無級調高，且荷載及滑移時始終保持面接觸，解決了調整面應力集中問題。

綜上所述，該支座具有優良的技術性能，且即將應用于鄭萬高速鐵路橋梁工程，可解決橋梁未來運營過程上產生的不均勻沉降等問題。