跨座式單軌交通軌道梁承拉盆式橡膠支座的研1

1、跨座式單軌交通軌道梁承拉盆式橡膠支座趙衡平一 概述跨座式單軌交通軌道梁承拉盆式橡膠支座的研究從1997年底開始歷時三年多，產品基本定型，已成功應用于重慶市軌道交通較場口-新山村期工程的部分直線軌道梁上?？缱絾诬壗煌ㄊ擒壍儡嚤е壍懒盒旭偅蚨鴨诬壗煌ㄟ\行中所產生的三個方向的力，尤其是軌道車行駛中的搖擺力、曲線上軌道車的離心力和作用在軌道車、梁上的風力都依賴軌道梁支座進行承受和傳遞，并將軌道梁和墩臺可靠地聯(lián)系在一起，進行安全有效的運送旅客，由此可見軌道梁支座的重要性。和鐵路橋梁、公路橋梁的支座相比，軌道梁支座在保證軌道交通的安全運營方面有特殊的地位和作用，它所承擔的支座拉力也是鐵路、公路橋梁支

2、座所不能相比的，如重慶市較新線一期工程半徑120m的曲線軌道梁支座，最大豎向壓力為922kn而扭矩則達472kn-m。還有一個顯著不同的是軌道梁支座的抗疲勞性能要比鐵路、公路橋梁支座要求高，疲勞試驗中的次數(shù)要達到106的考核要求，比鐵路公路的抗疲勞次數(shù)提高33%。第四個不同的是軌道梁支座的檢修和零部件的更換要求迅速方便，這是城市交通特需的要求。國外日本、美國和澳大利亞等國跨座式單軌交通軌道梁支座為鑄鋼支座，它是一種傳統(tǒng)的、能滿足上述要求的支座，在單軌交通中運行了十多年，也存在著一些不足之處，如：減震減沖擊效果差、重量重、制造難度大、安裝維護和更換不方便、對材料要求較高、造價較高。因此日本在同期

3、也研究替代單軌交通軌道梁鑄鋼支座的橡膠支座。重慶市單軌交通較新線一期工程將梁及其支座、軌道車和道岔列為跨座式單軌交通系統(tǒng)三大關鍵技術，由此可見單軌交通軌道梁支座的重要性和技術難度。二 方案構思鑒于跨座式單軌交通的特殊形式，梁既是承重件也是軌道，這和鐵路、公路、城市橋梁中的梁不同，因而支座受力復雜，承受彎矩也承受扭矩，既有壓力也有拉力、既滿足梁的伸縮也要滿足轉動?；谶@些在構思跨座式單軌交通軌道梁承拉支座時，主要考慮： 根據卅多年的科技項目工作經驗，支座各個部（組）件應功能明確盡可能單一，并發(fā)揮其組成主要材料的最佳使用性能。 盆式橡膠支座、球型支座和板式橡膠支座在國內外橋梁上已成功使用數(shù)十年，是

4、公認的成熟技術和產品，有良好的技術經濟指標和運營性能、造價低。尤其是面?zhèn)髁?、吸收震動和減少沖擊、伸縮轉動靈活和損壞率低是鑄鋼支座所不能比擬的。因此堅信只要構思合理，跨座式單軌交通軌道梁支座，用橡膠支座或球型支座定可以取代鑄鋼支座。在獲得國家實用新型專利（專利號：zl 99 2 31658.8）中跨座式單軌交通軌道梁承拉支座均采用成對的盆式橡膠支座、球型支座或成對的板式橡膠支座。重慶市較新線一期工程軌道梁支座應采用那種形式的支座？經過表的比較，選擇綜 表類型項目盆式橡膠支座球型支座板式橡膠支座性能承載能力較大轉動較靈活伸縮量大承載能力大轉動靈活伸縮量較大承載能力小轉動般伸縮量小壽命橡膠密封在鋼盆

5、中，隔絕紫外線和臭氧的老化作用沒有橡膠件，不存在紫外線和臭氧的老化作用橡膠四周暴露，受紫外線和臭氧作用易老化構造與型式固定、單向及多向活動型式清楚、作用分明固定、單向及多向活動型式清楚、作用較分明固定與活動不易區(qū)分、難以限制側向移動減震減沖擊效果較明顯效果小效果明顯重量一般較大小價格般較貴便宜合指標優(yōu)良的盆式橡膠支座作為軌道梁支座的承壓件和位移件。 拉桿應用于承拉支座也是一項成熟技術，結合單軌交通軌道梁支座的受力特點，采用了柔度較大和兩端有球面鉸的組件，為方便裝取該件吸收了日本形頭拉桿的成熟技術采用了腰形球面螺母，不僅承受大的動載拉力還要滿足軌道梁的伸縮，并具有自鎖功能。三 重慶市單軌交通直線

6、軌道梁承拉盆式橡膠支座構造及特點 重慶市較新線一期工程所使用的軌道梁承拉盆式橡膠支座的構造如圖所示，左圖為固定支座，右圖為單向活動支座。均由五個組件構成，分別為上承拉件組件、盆式橡膠支座組件、柔性拉桿組件、套筒組件、保險裝置組件。后因這種新型支座僅限制使用在車站和基地的直線軌道梁上，經批準取去保險裝置組件。圖單軌交通直線軌道梁承拉盆式橡膠支座簡圖 結構原理上承拉件組件由錨固栓釘和上承拉件組成，上承拉件是一件剛性較大的箱式鑄鋼件，它通過頂面的錨固栓釘同軌道梁梁端底面相連，兩側伸出板與盆式橡膠支座頂面相接。當軌道梁線路有縱坡時，上承拉件頂面可作成相同坡面實現(xiàn)軌道梁的線路縱坡。上承拉件組件能承受和傳

7、遞單軌交通運營中所產生的所有力、彎矩、扭矩及沖擊和疲勞。盆式橡膠支座組件按使用功能分為固定盆式橡膠支座（即盆式橡膠支座）和單向活動盆式橡膠支座（即組合盆式橡膠支座中的單向活動支座）。固定盆式橡膠支座由環(huán)狀的盆環(huán)、橡膠塊、密封圈及盆塞組成；單向活動盆式橡膠支座比固定盆式橡膠支座的頂面多塊嵌裝的環(huán)狀聚四氟乙烯模壓板，盆式橡膠支座組件承受上承拉件組件傳遞的壓力、緩和沖擊和振動，避免了支座的硬接觸，減小了由此產生的噪音，并滿足軌道梁的轉角及伸縮。柔性拉桿組件的頂端配有六角球面螺母及球面墊圈并與上承拉件組件相連，下端通過腰形球面螺母及下球面墊圈和預埋在墩臺的套筒組件相連，只需旋轉90即可從套筒中取出或裝

8、入柔性拉桿組件，方便進行維護與更換組件，其上下端均設有防止螺母松動的鎖緊螺母。柔性拉桿組件主要用來承受單軌交通運行時搖擺力、離心力和風力對軌道梁的傾復力矩和動載的拉力，柔性拉桿依賴其柔性和兩端的球面鉸適應軌道梁的轉角和伸縮。柔性拉件組件將上承拉件組件、盆式橡膠支座組件和套筒組件聯(lián)成一體。套筒組件由定位盤、無縫鋼管及螺旋筋組成，它預安裝在橋梁墩臺蓋梁上，除承受拉力和支座定位作用外，重要是和其它組件起將軌道梁的各種載荷傳遞給墩臺。保險裝置組件主要用在曲線軌道梁承拉支座，由于活載產生的扭矩大，為柔性拉桿的保險而設置的一套附加裝置，在柔性拉桿組件萬一發(fā)生問題時臨時承受拉力。四 直線軌道梁承拉盆式橡膠支

9、座技術指標 作用在支座頂面的荷載最大靜載豎向反力 最大動載豎向反力 橫向水平力 縱向水平力 最大橫向彎矩（扭矩） - 支座最大轉角 活動支座伸縮量縱向伸縮量 15mm橫向伸縮量 2mm活動支座摩擦系數(shù)在硅脂潤滑條件下 0.03 支座具有的調整能力縱向 30mm橫向 20mm高度 05mm五 材料選用 上承拉件組件上承拉桿選用鑄鋼，限于重慶市較新線一期工程中凈空的要求，軌道梁承拉盆式橡膠支座的建筑高度必須和承拉鑄鋼支座相同，因而上承拉件的高度增大，采用合金鑄鋼已無必要，因而選用了強度低但韌性好、脆性轉變溫度低的zg230-450（zg25）鑄鋼。錨固栓釘采用16mn。不銹鋼板采用1cr18ni9

10、ti冷軋鏡面板。 柔性拉桿組件柔性拉桿和承拉鑄鋼支座的錨栓樣主要承受扭矩(橫向彎矩)的拉力，日本采用sus431（與我國1cr17ni2相同），鐵道專業(yè)設計院選用1cr18ni2不銹鋼，均基于承拉鑄鋼支座錨栓部分暴露在大氣中易腐蝕。柔性拉桿材料選用35crmo，其綜合機械性能好，沒有回火脆性，缺口敏感低。三種材料機械性能比較見表二。 表二項目牌號smpapmpa%硬度sus43159078015402291cr18ni210501035crmo8501000124580柔性拉件組件其它件材料采用40cr。 盆式橡膠支座組件盆環(huán)和盆塞均由剛度控制其變形，應力不大，選用q235b。定位螺栓采用45

11、#。聚四氟乙烯模壓板應采用新鮮純料模壓而成，嚴禁使用再生料、回頭料，聚四氟乙烯原料的平均粒徑不得大于50m，模壓成型壓力不得小于30mpa。其物理機械性能為：抗拉強度30mpa扯斷伸長率300%密度21402200kg/m2氯丁橡膠的物理機械性能：硬度（邵爾）555拉伸強度14.5mpa扯斷伸長率400%脆性溫度-40恒定壓縮永久變形(7022h)25%耐臭氧老化(2550pphm,20%拉伸,4096h)無龜裂空氣老化(10070h)拉伸強度降低率15%,扯斷伸長率降低率40%,硬度變化10 套筒組件定位盤采用16mn其它件均采用q235b六 軌道梁承拉盆式橡膠支座靜載和疲勞試驗 試驗目的檢

12、驗在靜載和疲勞下，軌道梁承拉盆式橡膠支座各部件的強度及變形；確定軌道梁承拉盆式橡膠支座在試驗荷載下的安全度；為指導軌道梁承拉盆式橡膠支座設計和批量生產以及制定驗收標準提供可靠的科學依據。 試驗項目及結果 氯丁橡膠膠料物理機械性能試驗試驗項目、方法、結果及試驗地在如表三：序號試驗項目試驗方法試驗結果試驗單位1硬度 邵爾gb/t531-9250國家橡膠密封制品質量監(jiān)督檢驗中心2拉伸強度 mpagb/t528-92153扯斷伸長率 %gb/t528-925694恒定壓縮永久變形 % gb/t7759-87235熱空氣老化硬度變化 邵爾拉伸強度下降率 %扯斷伸長下降率 %gb/t531-92gb/t5

13、28-926 0 206臭氧老化(40pphm)gb/t531-92gb/t528-92無龜裂7脆性溫度 gb/t1682-94-42四川省產品質量監(jiān)督檢驗所結論：氯丁橡膠膠料物理機械性能滿足設計及使用要求 盆式橡膠支座轉動試驗試驗項目：活載引起的轉角.5時盆式橡膠支座的轉動力矩 盆式橡膠支座的最大轉角試驗單位：西南交通大學結構工程試驗中心試驗方法：盆式橡膠支座轉動試驗加載示意圖見圖所示: 豎向壓力分別為1.367,1.387,1.387倍設計壓力，p=908.5kn,921.8kn,921.8kn試件數(shù)量：組個試驗結果：.三組支座轉動到.5時轉動力矩分別為：9.77kn-m,14.63kn-

14、m和 4.67kn-m .三組支座的最大轉角分別為：15.4,20.4和16.0 結論：此結果比設計荷載下的轉動力矩值偏大，最大轉角偏小，因而均滿足使用和設計要求。圖 盆式橡膠支座轉動試驗示意圖 盆式橡膠支座靜載試驗試驗項目：檢驗荷載1.5664.6=996.9kn下盆式橡膠支座的垂直壓縮變形、盆環(huán)徑向變形和外緣應力試驗單位：西南交通大學結構工程試驗中心試驗方法：tb/t2331-92鐵路橋梁盆式橡膠支座試件數(shù)量：個試驗結果：.垂直壓縮變形：力與變形成線性關系，號支座在檢驗荷載下的垂直壓縮變形為1.07mm，號支座為0.52mm，均小于支座總高的2%=2.2mm。 .盆環(huán)徑向變形：力與變形成線

15、性關系，號支座在檢驗荷載下的盆環(huán)徑向變形為0.04mm，號支座為0.054mm，均小于盆環(huán)內徑的0.5=0.1275mm。 .盆環(huán)外緣最大平均應力：在檢驗荷載下，號支座盆環(huán)外緣平均周向應力為26.9mpa，號支座為34.0mpa。結論：盆式橡膠支座靜載試驗各項性能指標均滿足產品行業(yè)標準要求。 柔性拉桿組件承拉疲勞試驗試驗項目：檢測柔性拉桿組件在300萬次疲勞循環(huán)下的承拉疲勞性能試驗單位：西南交通大學結構工程試驗中心試驗方法：將套柔性拉桿組件通過二個特制的連接器與疲勞試驗機相連，頻率6.5，在最大拉力220.2kn(設計動載拉力178kn-m)、最小拉力20kn作用下，循環(huán)次數(shù)3106試樣與設備

16、系統(tǒng)見圖3。 表四試樣編號123試驗日期1999.11.24.-11.30.2000.3.31.-4.6.2000.4.7.-4.13.試樣直桿段長度(mm)1140 1080 1080穩(wěn)定位移幅(dmm)1.381.381.38試驗壽命(萬次) 300 300 300疲勞裂紋位置 無裂紋 無裂紋 無裂紋圖 柔性拉桿組件與設備系統(tǒng)試件數(shù)量：3個試驗結果：試件的疲勞循環(huán)歷程和傳移幅如圖，三個試件的試驗結果見表四：圖試件的疲勞循環(huán)歷程和傳移幅圖結論：實體柔性拉桿組件在直線軌道梁的拉力疲勞作用下是安全的、滿足使用和設計要求。 軌道梁承拉盆式橡膠支座承壓疲勞試驗 上承拉件壓彎疲勞試驗試驗項目：上承拉件

17、在疲勞中的應力；上承拉件重要部位的位移；采集分析疲勞戶上承拉件關鍵部位的荷載-應變圖試驗單位：西南交通大學結構工程試驗中心試驗方法：采用mts電液伺服結構試驗系統(tǒng)偏心加載，ucam靜態(tài)電阻應變儀測應力，百分表測位移，總荷載值為371.4791.4kn，頻率hz，循環(huán)次數(shù)3106。荷載分布圖、應力測點布置圖及位移測點布置如圖：(注：限于檢驗時業(yè)主所提設計數(shù)據，偏心布置偏大，橫向扭矩m=791.4(0.55-0.262)=227.9kn-m)設計動載引起的橫向彎矩156kn-m。)圖5 承拉盆式橡膠支座荷載布置、應力和位移測點布圖 試件數(shù)量：座 試驗結果：a.上承拉件的各點應力經過疲勞循環(huán)保持基本

18、穩(wěn)定，沒有發(fā)生較大變化，各指定測試位置的實測應力均小小材料容許應力，說明上承拉件有足夠的強度安全度，在設計荷載751.9kn作用下，固定支座上承拉件測點最大拉應力為95mpa，最大壓應力為148.57mpa，其應力-荷載圖見圖所示；活動支座上承拉件測點最大拉應力為126.7mpa，最大壓應力為189.3mpa，其應力-荷載圖見圖7所示。圖 測點12和23在疲勞過程中的靜載-主應力圖圖 測點和32在疲勞過程中的靜載-主應力圖 b.上承拉件在設計荷載751.9kn作用下測點最大位移分別為：0.71mm,1.22 mm和2.58mm，在經過50萬次疲勞之后，各測點的位移變化趨于穩(wěn)定，荷載-位移曲線的

19、一致性較好，其靜載-位移圖見圖。圖 位移測點在疲勞過程中的靜載-位移圖 結論：經過300萬次疲勞之后上承拉件未發(fā)現(xiàn)裂紋，說明材料性能穩(wěn)定，有良好的抗疲勞性能。 b 盆式橡膠支座承壓疲勞試驗 試驗項目：聚四氟乙烯模壓板在側向約束條件下承壓疲勞性能； 橡膠塊的承壓疲勞性能； 黃銅密度圈的承壓疲勞性能； 盆環(huán)的承壓疲勞性能。 試驗單位：西南交通大學結構工程試驗中心 試驗方法：見上承拉件壓彎疲勞試驗之試驗方法，荷載布置圖亦見圖5。變形測點布置見圖9。圖9 盆式橡膠支座零部件變形測點布置 試件數(shù)量：23個 試驗結果：a 盆環(huán)各點應力經過疲勞循環(huán)保持基本穩(wěn)定，沒有發(fā)生較大變化，各指定測試位置的實測應力遠小

20、于材料容許應力，說明上承拉件有較大的強度安全度，在最大荷載791.4kn作用下，固定支座盆環(huán)測點最大拉應力為31.71mpa和30.6mpa，活動支座盆環(huán)測點最大拉應力為23.74mpa和七11.51mpa。 b 經過300萬次疲勞之后，固定支座橡膠塊厚度變形為：0.205mm(0.7%)、0.095mm(0.34%)，活動支座橡膠塊厚度變形為：0.33mm(1.2%)、 0.01mm(0.03%)，殘余變形很小。 c經過300萬次疲勞之后，活動支座聚四氟乙烯模壓板厚度變形為：0. 24mm(3.5%)、0.41mm(5.6%)、0.115mm(2%)。結論：經過300萬次疲勞之后，盆環(huán)未發(fā)現(xiàn)

21、裂紋，聚四氟乙烯模壓板、橡膠塊和黃銅密封圈均沒有任何損壞。七 pc軌道梁及支座系統(tǒng)的靜載、疲勞、破壞及解剖試驗由于重慶市較新線一期工程是我國第一次采用跨座式軌道交通系統(tǒng)，而且pc軌道梁及支座都是由我國自己設計和制作，雖然pc軌道梁及鑄鋼支座其外觀形式與日本的產品相似，但其材質、預應力材料等都不盡相同，而且還首次采用承拉盆式橡膠支座，因此對其使用的安全性、耐勞性等指標都需要進行驗證和評估，故決定對實體的20m曲線軌道梁及承拉鑄鋼支座系統(tǒng)、實體22m的直線軌道梁及承拉盆式橡膠支座系統(tǒng)均進行靜載、疲勞、破壞及解剖試驗。試驗在西南交通大學結構工程試驗中心進行。涉及支座的試驗項目有：軌道梁跨中疲勞試驗中

22、支座應力及變形、梁端及支座疲勞試驗和支座分解試驗。從重慶市跨座式單軌交通pc梁靜載、疲勞、破壞及解剖試驗報告中摘錄承拉盆式橡膠支座和承拉鑄鋼支座各項試驗結果的比較列表如下：承拉盆式橡膠支座承拉鑄鋼支座5 pc直梁跨中疲勞試驗5.6.3支座變形固定及活動支座上承拉件中央豎向位移量在0.180.23mm之間，活動盆式橡膠支座壓縮量在0.0520.12mm之間，固定支座壓縮量在0.0670.151mm之間。6 pc曲梁跨中疲勞試驗5.6.4支座應力最大應力僅為12.8mpa和-15.12mpa(固定支座)、11.97mpa和-19.95mpa(活動支座)，疲勞作用對支座應力分布不大。6.6.3支座應

23、力活動支座上擺最大主拉壓應力為12.59mpa和-24.25mpa；活動支座軸最大主拉壓應力為58.42mpa和-70.93mpa；活動支座軸下墊塊最大主拉壓應力為86.64mpa和-72.24mpa；疲勞作用對支座應力分布影響下大。5.6.6試驗觀測2、在疲勞循環(huán)中，固定盆式橡膠支座縱向位移約0.5mm，活動盆式橡膠支座縱向位移約2.5mm。6.6.5試驗觀測2、在疲勞循環(huán)中，固定鑄鋼支座縱向位移約0.2mm，活動鑄鋼支座縱向位移約2.5mm。7 pc直線梁梁端及支座疲勞試驗7.7支座疲勞試驗結果及分析活動支座上承拉件中央豎向位移量在0.4250.63mm之間，活動盆式橡膠支座壓縮量在0.1

24、520.23mm之間。活動支座上承拉件最大壓應力出現(xiàn)在側面凹弧處，其值在-110.5-141.5mpa之間，最大拉應力出現(xiàn)在下緣側凹弧處，其值在35.0743.87mpa之間，下盆環(huán)最大環(huán)向拉應力19.11mpa。8 pc曲梁梁端及支座疲勞試驗8.7支座疲勞試驗結果及分析活動支座上擺側面最大主壓應力-15.24mpa，最大主拉應力33.03mpa，下擺最大主拉應力78.48mpa，最大主壓應力-29.98mpa，墊塊最大主拉應力81.53mpa，最大主壓應力-25.2mpa，軸最大主拉應力53,12mpa，最大主壓應力-123mpa。7.8試驗觀測2 在疲勞過程中，固定盆式橡膠支座縱向位移約0

25、.1mm，活動盆式橡膠支座縱向位移約0.3mm。 支座升溫至55，試驗頻率下降后溫度隨之下降。8.8試驗觀測2 在疲勞循環(huán)中，固定鑄鋼支座縱向位移約0.1mm，活動鑄鋼支座縱向位移約0.2mm。3豎向擺動幅度1-2mm(固定)，3-4mm(跨中),0.5-1mm(活動)，橫向擺動較大，幅度4-5mm(固定),6-7mm(跨中),1-2mm(活動)。11 pc梁解剖試驗11.2.2梁體解剖結果9 直梁承拉盆式橡膠支座預埋錨固筋與砼粘結良好。11 pc梁解剖試驗11.3.2梁體解剖結果9 曲梁鑄鋼支座預埋錨固筋與砼粘結良好。11.4.1直梁盆式橡膠支座分解1 球面螺栓及柔性拉桿螺紋完整，無明顯損傷。2 盆式橡膠支座內的橡膠無明顯變形,側面橡膠圈墊有磨損痕跡。3 聚四氟乙烯板有擠壓和磨損。4 支座其余部件正常。11.4.2曲梁鑄鋼支座分解1 上、下擺之間的結合面有明顯磨損現(xiàn)象。2 固定支座銷軸為普通zg35，有銹蝕現(xiàn)象，與上下擺結合段有明顯的壓痕及磨損。3 固定支座的上、下擺銷軸孔內略有磨損。4 活動支座銷軸及墊塊表面鍍鉻，略有壓痕。5 支座其余部件正常。12綜合結論及建議12.3承拉盆式橡膠支座試驗結論1 承拉盆式橡膠支座整體具有良好的耐勞性，材料性能穩(wěn)定。2 在試驗荷載下，活動承拉盆式橡膠支座上承拉件最大應力為-141.5mpa，考慮到上部結構重量，局部受力較大。承拉盆式橡膠支座質