大跨度鐵路鋼橋輥軸支座病害分析與設(shè)計(jì)

大跨度鐵路鋼橋輥軸支座病害分析與設(shè)計(jì)

1聯(lián)合行1.1輥軸支柱病害分析支架是橋結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其重要功能是：1。固定橋跨結(jié)構(gòu)的正確位置。均勻、穩(wěn)定地傳輸支撐反應(yīng)。2.確保梁側(cè)的自由旋轉(zhuǎn)和移動。橋梁支座按所使用材料和基本結(jié)構(gòu)可分為鑄鋼支座、板式橡膠支座、盆式橡膠支座、球型支座四大類。鐵路鋼橋目前廣泛采用鑄鋼支座。鑄鋼支座進(jìn)一步可分為弧形支座、搖軸支座、輥軸支座(鉸軸支座)等幾種。對于大跨度鐵路鋼橋所采用的輥軸支座,其滿足轉(zhuǎn)動位移的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分兩種,一種是通過平面與圓柱面的接觸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動,而另一種則是通過鉸接實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動。后者的接觸應(yīng)力較小,接觸疲勞壽命長,這種支座也可叫做鉸軸支座。該支座的常見病害是:隨著支座使用時(shí)間的增加,各摩擦副不斷產(chǎn)生磨損,出現(xiàn)輥軸不均勻滾動,導(dǎo)致連接件承受較大的附加力而變形和損壞,輥軸傾角進(jìn)一步加大甚至傾倒,支座無法行使其正常功能。經(jīng)分析,導(dǎo)致輥軸支座產(chǎn)生病害的主要原因有如下幾方面:①由于加工誤差、各輥軸位移時(shí)偏離下擺中心線的距離不等、下擺各處剛度不一致等因素而使各輥軸不均勻受力;②由于摩擦副材料受載變形而由線接觸發(fā)展為面接觸、接觸面發(fā)生永久變形之后而出現(xiàn)滾動—滑動復(fù)合摩擦、下擺與輥軸間因缺少足夠的潤滑劑而形成干摩擦等因素而改變了摩擦的性質(zhì);③由于材料硬度的原因使得摩擦副磨損而不能正常工作。1.2帶聚乙烯4板的帶氟潤滑的鉸軸鋼支架為了延長支座的壽命和避免中斷行車進(jìn)行維修,對于大型和重要的橋梁可考慮保留原來的支座形式而采用高硬度支座,就是在接觸面通過特殊的工藝和選用特殊材料實(shí)現(xiàn)摩擦副的高耐磨、抗腐蝕性能,這種支座在日本采用較多。由于盆式橡膠支座、球型支座,以及帶聚四氟乙烯滑板的板式橡膠支座均使用了由聚四氟乙烯滑板與不銹鋼板組成的摩擦副,因此將鉸軸支座中的水平移動滾動摩擦副用聚四氟乙烯滑板與不銹鋼板組成的平面摩擦副代替,即可滿足水平位移的要求,也避免了輥軸部位的病害。同時(shí),由于聚四氟乙烯板對不銹鋼板的摩擦系數(shù)與輥軸的滾動摩擦系數(shù)相當(dāng),因而,滑移阻力也不會增大。在有潤滑脂潤滑的情況下,聚四氟乙烯板與不銹鋼板的摩擦系數(shù)會更低,更利于水平位移的實(shí)現(xiàn)。本文以渝懷線橋梁關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)研究為例,介紹這種新型的滑板鉸軸鋼支座的設(shè)計(jì)研究。44000kN滑板鉸軸鋼支座構(gòu)造示意見圖1。2復(fù)合夾層的性能試驗(yàn)為了研究聚四氟乙烯板與不銹鋼板組成的摩擦副的承載能力、滑動性能以及耐久性能,對所采用的填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板進(jìn)行了靜壓強(qiáng)度試驗(yàn)、壓縮疲勞試驗(yàn)、壓縮應(yīng)力變形試驗(yàn)、壓縮蠕變試驗(yàn),對聚四氟乙烯板與不銹鋼板組成的摩擦副進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)研究。這些研究結(jié)果是摩擦副設(shè)計(jì)以及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。2.1材料的伺服安全裕度靜載強(qiáng)度試驗(yàn)的目的是為了確定填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板在給定約束條件下的壓縮極限強(qiáng)度,從而確定該材料的服役安全裕度。采用升降法進(jìn)行試驗(yàn),最后計(jì)算出填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板在約束情況下壓縮極限強(qiáng)度為249MPa。2.2壓縮變形曲線壓縮應(yīng)力—變形曲線試驗(yàn)的目的在于確定在給定條件下由壓力如何推算變形量,為摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。由于聚四氟乙烯材料在受載的瞬間蠕變較為劇烈,因而,實(shí)際壓縮應(yīng)力變形曲線中也包含了部分的蠕變量。從試驗(yàn)結(jié)果看,填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板,在壓應(yīng)力不超過200MPa的范圍內(nèi),壓縮變形與所受壓應(yīng)力近似呈線性關(guān)系。當(dāng)壓應(yīng)力為30MPa時(shí)(常用設(shè)計(jì)壓應(yīng)力),其一次性變形最大不超過0.3mm。2.3充填材料的壓縮試驗(yàn)結(jié)果壓縮蠕變試驗(yàn)的目的是測定填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板,在恒定載荷作用下,隨著時(shí)間的延長,逐漸增加的變形量大小。同時(shí),根據(jù)蠕變試驗(yàn)曲線的延伸趨向,推測更長時(shí)間的變形量。這是保證給定服役壽命而進(jìn)行填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板尺寸設(shè)計(jì)的依據(jù)之一。從蠕變試驗(yàn)結(jié)果看,24h后,曲線趨于與時(shí)間坐標(biāo)軸平行,且處于時(shí)間坐標(biāo)軸與0.5mm線之間。也就是說,填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板在受載24h后,隨著時(shí)間的增加,其蠕變量的增加非常小,可以認(rèn)為總?cè)渥兞坎怀^0.5mm。2.4橋梁正常運(yùn)轉(zhuǎn)載荷在橋梁支座的支反力中,靜載部分不隨時(shí)間變化,但是活載部分卻隨著橋梁上面通行物所處的位置不同而發(fā)生變化。也就是說,橋梁支座所受的載荷是疲勞載荷。試驗(yàn)結(jié)果表明,填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板,在最大壓應(yīng)力90MPa的疲勞載荷作用下,其疲勞壽命超過200萬次。2.5磨損性能定量研究聚四氟乙烯板與不銹鋼組成的摩擦副,摩擦系數(shù)低。對填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板對表面加工等級為2B的不銹鋼板的摩擦磨損性能進(jìn)行定量研究。從摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果看,在潤滑條件下,填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板對不銹鋼板的摩擦系數(shù)(穩(wěn)定值)不大于0.005,在有潤滑條件下,磨損率不大于0.4μm/km,這對于毫米級的四氟板厚度來講,幾乎可以不考慮。3模擬設(shè)備設(shè)計(jì)和力學(xué)性能測試3.1根據(jù)壓力等原則設(shè)計(jì)出模擬件、一般承載能力,根據(jù)壓力等選擇長壽長江大橋最大的活動支座,即44000kN單向活動鉸軸支座,根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù),按照幾何相似的原則,縮小至1/5設(shè)計(jì)出模擬件。再根據(jù)主要截面壓力相等的原則,確定模擬件的額定承載能力為1760kN。模擬件額定承載能力實(shí)際也就是原型承載能力的1/25。這是由幾何相似到應(yīng)力相似的換算關(guān)系所決定的。3.2鑄鋼支護(hù)的u2004根據(jù)TB10002.2-1999《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和TB/T1853-1995《鐵路橋梁鑄鋼支座》的選材原則,模擬件的上、下擺均采用ZG270-500鑄鋼。該鑄鋼流動性好,不易形成缺陷。鉸軸則選用了35號鍛鋼。3.3鉸軸鋼合成事力系“損害”的試驗(yàn)結(jié)果將鉸軸支座在壓力試驗(yàn)機(jī)上加載至額定支反力的1.5倍,測定載荷與變形的關(guān)系,同時(shí),利用三向應(yīng)變花,測定應(yīng)力分布情況。由應(yīng)變測量結(jié)果可計(jì)算出各相應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力。從試驗(yàn)結(jié)果可看出,在1.5倍的額定載荷作用下,滑板鉸軸鋼支座的變形與載荷呈線性關(guān)系,總變形量不超過總高度的1%。從應(yīng)力分析結(jié)果看,在1.5倍的額定載荷作用下,按第四強(qiáng)度理論,支座的最大相當(dāng)應(yīng)力為135.19MPa(折算成額定載荷下的應(yīng)力為90.13MPa),發(fā)生在下擺側(cè)筋板上部與鉸軸套外圓柱面及中央主筋板交叉的部位。這與所采用ZG270-500鑄鋼的屈服強(qiáng)度270MPa相比,強(qiáng)度是滿足要求的。4草圖成本4.1加接觸應(yīng)力比支座適應(yīng)轉(zhuǎn)動位移的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為鉸軸,這與通常將輥軸支座轉(zhuǎn)動部分設(shè)計(jì)為弧形結(jié)構(gòu)(平面對圓柱面)相比,具有接觸應(yīng)力小、轉(zhuǎn)動靈活、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。另外,在鉸軸處涂抹鈣基潤滑脂,還可減小摩擦阻力,也可避免鉸軸“凍死”。支座適應(yīng)順橋向水平位移的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板與不銹鋼板的摩擦副,并在兩側(cè)設(shè)計(jì)有填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板與不銹鋼板的導(dǎo)向摩擦副,以限制支座的橫向位移。4.2復(fù)合夾層板的利用填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板與不銹鋼板的摩擦副是滑板鉸軸鋼支座設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果,填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層板具有承載能力大,壓縮變形和壓縮蠕變小,疲勞壽命長等優(yōu)點(diǎn)。填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層板與表面加工等級為2B的不銹鋼板組成的摩擦副,摩擦系數(shù)低,磨損率也低。另外,填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板與剛性材料相比,又有較大的變形適應(yīng)性,因而填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板與不銹鋼板組成的摩擦副,接觸均勻,避免了剛性材料相互接觸因加工誤差所引起的接觸應(yīng)力大小不均,造成局部磨損嚴(yán)重等問題。4.3聚乙烯的應(yīng)力分析滑板鉸軸鋼支座強(qiáng)度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是鉸軸處的接觸應(yīng)力和平面摩擦副的接觸應(yīng)力的設(shè)計(jì)控制。按照鐵道部行業(yè)規(guī)范TB10002.2-1999《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,對3種支座鉸軸處的接觸應(yīng)力進(jìn)行校核,均滿足要求。而填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板與不銹鋼板的接觸應(yīng)力,在下滑面和側(cè)滑面上均不大于30MPa,按照基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果,也是安全的。側(cè)滑限位擋板的強(qiáng)度,按照TB10002.2-1999《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》所給定的許用應(yīng)力進(jìn)行校核,完全滿足要求。為了進(jìn)一步了解整個(gè)支座的應(yīng)力分布情況,以便確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,對44000kN支座在額定載荷作用下進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析,應(yīng)力分析結(jié)果表明:①支座的最大VonMises應(yīng)力不大于100MPa(除有限元造型缺陷處外),這對于屈服強(qiáng)度為270MPa的ZG270-500鑄鋼來講是安全的;②聚四氟乙烯滑板平面上的VonMises應(yīng)力基本上在11～20MPa之間。由于聚四氟乙烯具有很好的變形適應(yīng)性,而有限元應(yīng)力分析具有一定的局限性,所以實(shí)際上滑板上的應(yīng)力是更為均勻的。支座主要部位有限元應(yīng)力分析結(jié)果見表1。5采用新型滑總材料的規(guī)則新型滑板鉸軸鋼支座,是在鑄鋼輥軸支座和鑄鋼鉸軸支座的基礎(chǔ)上,采用摩擦系數(shù)極低的填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板與不銹鋼板組成的滑動摩擦副取代鋼對鋼的滾動摩擦副