跨座式单轨交通轨道梁承拉盆式橡胶支座地研1

跨座式单轨交通轨道梁承拉盆式橡胶支座赵衡平一 概述跨座式单轨交通轨道梁承拉盆式橡胶支座的研究从 1997 年底开始历时三年多，产品 基本定型，已成功应用于重庆市轨道交通较场口 - 新山村期工程的部分直线轨道梁上。跨座式单轨交通是轨道车抱着轨道梁行驶，因而单轨交通运行中所产生的三个方向的 力，尤其是轨道车行驶中的摇摆力、曲线上轨道车的离心力和作用在轨道车、梁上的风力 都依赖轨道梁支座进行承受和传递，并将轨道梁和墩台可靠地联系在一起，进行安全有效 的运送旅客，由此可见轨道梁支座的重要性。和铁路桥梁、公路桥梁的支座相比，轨道梁 支座在保证轨道交通的安全运营方面有特殊的地位和作用，它所承担的支座拉力也是铁 路、公路桥梁支座所不能相比的， 如重庆市较新线一期工程半径 120m 的曲线轨道梁支座， 最大竖向压力为 922KN 而扭矩则达 472KN-m 。还有一个显著不同的是轨道梁支座的抗 疲劳性能要比铁路、公路桥梁支座要求高，疲劳试验中的次数要达到3x 106的考核要求， 比铁路公路的抗疲劳次数提高 33% 。第四个不同的是轨道梁支座的检修和零部件的更换要 求迅速方便，这是城市交通特需的要求。国外日本、美国和澳大利亚等国跨座式单轨交通轨道梁支座为铸钢支座，它是一种传 统的、 能满足上述要求的支座， 在单轨交通中运行了十多年， 也存在着一些不足之处， 如： 减震减冲击效果差、重量重、制造难度大、安装维护和更换不方便、对材料要求较高、造 价较高。因此日本在同期也研究替代单轨交通轨道梁铸钢支座的橡胶支座。重庆市单轨交通较新线一期工程将PC梁及其支座、轨道车和道岔列为跨座式单轨交通系统三大关键技术，由此可见单轨交通轨道梁支座的重要性和技术难度。方案构思鉴于跨座式单轨交通的特殊形式，梁既是承重件也是轨道，这和铁路、公路、城市桥 梁中的梁不同，因而支座受力复杂，承受弯矩也承受扭矩，既有压力也有拉力、既满足梁 的伸缩也要满足转动。基于这些在构思跨座式单轨交通轨道梁承拉支座时，主要考虑：1根据卅多年的科技项目工作经验，支座各个部（组）件应功能明确尽可能单一，并 发挥其组成主要材料的最佳使用性能。2盆式橡胶支座、球型支座和板式橡胶支座在国内外桥梁上已成功使用数十年，是公 认的成熟技术和产品，有良好的技术经济指标和运营性能、造价低。尤其是面传力、吸收 震动和减少冲击、伸缩转动灵活和损坏率低是铸钢支座所不能比拟的。因此坚信只要构思 合理，跨座式单轨交通轨道梁支座，用橡胶支座或球型支座-定可以取代铸钢支座。在获 得国家实用新型专利（专利号：ZL 99 2 31658.8 ）中跨座式单轨交通轨道梁承拉支座均 采用成对的盆式橡胶支座、球型支座或成对的板式橡胶支座。重庆市较新线一期工程轨道梁支座应采用那种形式的支座？经过表-的比较，选择综表一类型项目盆式橡胶支座球型支座板式橡胶支座承载能力较大承载能力大承载能力小性能转动较灵活转动灵活转动-般伸缩里大伸缩量较大伸缩量小寿命橡胶密封在钢盆中，没有橡胶件，不存在橡胶四周暴露，受隔绝紫外线和臭氧的紫外线和臭氧的老紫外线和臭氧作用老化作用化作用易老化构造与型式固定、单向及多向活固定、单向及多向活固定与活动不易区动型式清楚、作用分明动型式清楚、作用较分明分、难以限制侧向移动减震减冲击效果较明显效果小效果明显重量一般较大小价格般较贵便宜合指标优良的盆式橡胶支座作为轨道梁支座的承压件和位移件。3拉杆应用于承拉支座也是一项成熟技术，结合单轨交通轨道梁支座的受力特点，采 用了柔度较大和两端有球面铰的组件，为方便装取该件吸收了日本T形头拉杆的成熟技术 采用了腰形球面螺母，不仅承受大的动载拉力还要满足轨道梁的伸缩，并具有自锁功能。三重庆市单轨交通直线轨道梁承拉盆式橡胶支座构造及特点1重庆市较新线一期工程所使用的轨道梁承拉盆式橡胶支座的构造如图1所示，左图 为固定支座，右图为单向活动支座。均由五个组件构成，分别为1上承拉件组件、2盆式 橡胶支座组件、3柔性拉杆组件、4套筒组件、5保险装置组件。后因这种新型支座仅限 制使用在车站和基地的直线轨道梁上，经批准取去保险装置组件。图1单轨交通直线轨道梁承拉盆式橡胶支座简图2结构原理上承拉件组件由锚固栓钉和上承拉件组成，上承拉件是一件刚性较大的箱式铸钢件，它通过顶面的锚固栓钉同PC轨道梁梁端底面相连，两侧伸出板与盆式橡胶支座顶面相 接。当轨道梁线路有纵坡时，上承拉件顶面可作成相同坡面实现轨道梁的线路纵坡。上承 拉件组件能承受和传递单轨交通运营中所产生的所有力、弯矩、扭矩及冲击和疲劳。盆式橡胶支座组件按使用功能分为固定盆式橡胶支座（即盆式橡胶支座）和单向活动 盆式橡胶支座（即组合盆式橡胶支座中的单向活动支座） 。固定盆式橡胶支座由环状的盆 环、橡胶块、密封圈及盆塞组成；单向活动盆式橡胶支座比固定盆式橡胶支座的顶面多 块嵌装的环状聚四氟乙烯模压板，盆式橡胶支座组件承受上承拉件组件传递的压力、缓和 冲击和振动， 避免了支座的硬接触， 减小了由此产生的噪音， 并满足轨道梁的转角及伸缩。柔性拉杆组件的顶端配有六角球面螺母及球面垫圈并与上承拉件组件相连，下端通过 腰形球面螺母及下球面垫圈和预埋在墩台的套筒组件相连，只需旋转 90 即可从套筒中取 出或装入柔性拉杆组件，方便进行维护与更换组件，其上下端均设有防止螺母松动的锁紧 螺母。柔性拉杆组件主要用来承受单轨交通运行时摇摆力、离心力和风力对轨道梁的倾复 力矩和动载的拉力，柔性拉杆依赖其柔性和两端的球面铰适应轨道梁的转角和伸缩。柔性 拉件组件将上承拉件组件、盆式橡胶支座组件和套筒组件联成一体。套筒组件由定位盘、无缝钢管及螺旋筋组成，它预安装在桥梁墩台盖梁上，除承受拉 力和支座定位作用外，重要是和其它组件起将轨道梁的各种载荷传递给墩台。保险装置组件主要用在曲线轨道梁承拉支座，由于活载产生的扭矩大，为柔性拉杆的 保险而设置的一套附加装置，在柔性拉杆组件万一发生问题时临时承受拉力。四 直线轨道梁承拉盆式橡胶支座技术指标1作用在支座顶面的荷载最大静载竖向反力9 0 0 KN最大动载竖向反力7 9 0 KN横向水平力120KN纵向水平力130KN最大横向弯矩（扭矩）188KN-m2支座最大转角153活动支座伸缩量纵向伸缩量15mm横向伸缩量v 2mm4活动支座摩擦系数在硅脂润滑条件下卩毛.035支座具有的调整能力纵向30mm横向20mm高度0 5mm五 材料选用1上承拉件组件上承拉杆选用铸钢，限于重庆市较新线一期工程中净空的要求，轨道梁承拉盆式橡胶 支座的建筑高度必须和承拉铸钢支座相同，因而上承拉件的高度增大，采用合金铸钢已无 必要，因而选用了强度低但韧性好、脆性转变温度低的 ZG230-450 （ZG25 ）铸钢。锚固栓钉采用 16Mn 。不锈钢板采用 1Cr18Ni9Ti 冷轧镜面板。2柔性拉杆组件柔性拉杆和承拉铸钢支座的锚栓-样主要承受扭矩（横向弯矩）的拉力，日本采用SUS431 （与我国1Cr17Ni2相同），铁道专业设计院选用1Cr18Ni2不锈钢，均基于承拉 铸钢支座锚栓部分暴露在大气中易腐蚀。柔性拉杆材料选用35CrMo，其综合机械性能好, 没有回火脆性，缺口敏感低。三种材料机械性能比较见表二。表二项目oS硬度牌号MpaMpa%SUS431 590 780 15 40 2291Cr18Ni210501035CrMo8501000124580柔性拉件组件其它件材料采用40Cr。3盆式橡胶支座组件盆环和盆塞均由刚度控制其变形，应力不大，选用Q235B。定位螺栓采用45#。聚四氟乙烯模压板应采用新鲜纯料模压而成，严禁使用再生料、回头料，聚四氟乙烯原料的平均粒径不得大于50 pm，模压成型压力不得小于30Mpa。其物理机械性能为:抗拉强度30Mpa扯断伸长率300%密度 2140 2200Kg/m 2氯丁橡胶的物理机械性能：硬度（邵尔A） 55 5 拉伸强度14.5MPA 扯断伸长率400%脆性温度-40 C恒定压缩永久变形(70 CX22h) 25%耐臭氧老化(2550pphm,20% 拉伸,40 Cx96h)无龟裂空气老化(100 Cx70h)拉伸强度降低率 15%,扯断伸长率降低率 40%,硬度变化+ 10 4套筒组件定位盘采用16Mn其它件均采用Q235B六轨道梁承拉盆式橡胶支座静载和疲劳试验1试验目的检验在静载和疲劳下，轨道梁承拉盆式橡胶支座各部件的强度及变形；确定轨道梁承拉盆式橡胶支座在试验荷载下的安全度；为指导轨道梁承拉盆式橡胶支座设计和批量生产以及制定验收标准提供可靠的科学 依据。2试验项目及结果 氯丁橡胶胶料物理机械性能试验试验项目、方法、结果及试验地在如表三:序号试验项目试验方法试验结果试验单位1硬度邵尔AGB/T531-9250国家橡胶密封2拉伸强度MpaGB/T528-9215制品质量监督3扯断伸长率%GB/T528-92569检验中心4恒定压缩永久变形%GB/T7759-87235热空气老化硬度变化邵尔AGB/T531-926拉伸强度下降率%GB/T528-920扯断伸长下降率%206臭氧老化(40pphm)GB/T531-92无龟裂GB/T528-927脆性温度cGB/T1682-94-42四川省产品质量监督检验所结论：氯丁橡胶胶料物理机械性能满足设计及使用要求 盆式橡胶支座转动试验试验项目：活载引起的转角6.5 时盆式橡胶支座的转动力矩盆式橡胶支座的最大转角试验单位：西南交通大学结构工程试验中心试验方法：盆式橡胶支座转动试验加载示意图见图2所示：竖向压力 P 分别为 1.367,1.387,1.387 倍设计压力，P=908.5KN,921.8KN,921.8KN试件数量：3组6个试验结果：A .三组支座转动到6 .5 时转动力矩分别为：9.77KN-m,14.63KN-m 和4.67KN-mB .三组支座的最大转角分别为：15.4 ,20.4 和6.0 结论：此结果比设计荷载下的转动力矩值偏大，最大转角偏小，因而均满足使用和设计要求S(X)mTn传图2盆式橡胶支座转动试验示意图 盆式橡胶支座静载试验试验项目：检验荷载1.5 X664.6=996.9KN 下盆式橡胶支座的垂直压缩变形、盆环径向变形和外缘应力试验单位：西南交通大学结构工程试验中心试验方法：TB/T2331-92铁路桥梁盆式橡胶支座试件数量：2个试验结果：A.垂直压缩变形：力与变形成线性关系，1号支座在检验荷载下的垂直压缩变形为1.07mm ,2号支座为0.52mm ,均小于支座总高的2%=2.2mm。B .盆环径向变形：力与变形成线性关系，1号支座在检验荷载下的盆环 径向变形为0.04mm ,2号支座为0.054mm，均小于盆环内径的0.5%。=0.1275mm。C .盆环外缘最大平均应力：在检验荷载下，1号支座盆环外缘平均周向应力为26.9Mpa ,2号支座为34.0Mpa。结论：盆式橡胶支座静载试验各项性能指标均满足产品行业标准要求。 柔性拉杆组件承拉疲劳试验试验项目：检测柔性拉杆组件在 300万次疲劳循环下的承拉疲劳性能试验单位：西南交通大学结构工程试验中心试验方法：将-套柔性拉杆组件通过二个特制的连接器与疲劳试验机相连，频率6.5,在最大拉力220.2KN（设计动载拉力178KN-m）、最小拉力20KN作用下, 循环次数3 X106试样与设备系统见图3。表四试样编号123试验日期1999.11.24.-11.2000.3.31.-4.6.2000.4.7.-4.13.30.试样直杆段长度114010801080(mm)稳定位移幅（Zdmm）1.381.381.38试验寿命（万次）300300300疲劳裂纹位置无裂纹无裂纹无裂纹图3柔性拉杆组件与设备系统试件数量：3个试验结果：试件的疲劳循环历程和传移幅如图4,三个试件的试验结果见表四:4跖0I1 #2200氏klai dN ISA*； z酉1001-別Mm LoodDLOOMHW2000000他 OOM4400000cIMIKIOQ?帕3003DQOO0OfCMMJQOC图4试件的疲劳循环历程和传移幅图结论：实体柔性拉杆组件在直线轨道梁的拉力疲劳作用下是安全的、满足使用和设计要求。 轨道梁承拉盆式橡胶支座承压疲劳试验A上承拉件压弯疲劳试验试验项目：上承拉件在疲劳中的应力；上承拉件重要部位的位移；采集分析疲劳户上承拉件关键部位的荷载-应变图试验单位：西南交通大学结构工程试验中心试验方法：采用MTS电液伺服结构试验系统偏心加载，UCAM静态电阻应变仪测应力，百分表测位移，总荷载值为 371.4791.4KN ，频率6 HZ ,循环次数3 X106。荷载分布图、应力测点布置图及位移测点布置如图5:（注:M=791.4 X限于检验时业主所提设计数据，偏心布置偏大，横向扭矩(0.55-0.262)=227.9KN-m)设计动载引起的横向弯矩 156KN-m 。)C lOOwnidi25CZB11!r 阳八14(15) ay?)图5承拉盆式橡胶支座荷载布置、应力和位移测点布图试件数量：3座试验结果：a.上承拉件的各点应力经过疲劳循环保持基本稳定，没有发生较大变 化，各指定测试位置的实测应力均小小材料容许应力，说明上承拉件有足 够的强度安全度，在设计荷载 751.9KN作用下，固定支座上承拉件测点 最大拉应力为95Mpa，最大压应力为148.57Mpa，其应力-荷载图见图 6所示；活动支座上承拉件测点最大拉应力为126.7Mpa，最大压应力为189.3Mpa，其应力-荷载图见图7所示。N.fl. L：C?|7t * Fiji 呦弋力眞K w H w W 1SLcnanL*K.百一主15-1*1 軸-LOO. 00IWI floW 1DU ai inxw JUQim JfL-iU NC. K 歯】-啊1 PKL Oft图6测点12和23在疲劳过程中的静载-主应力图4. to m.Oi w 09 n& on xn.4iigi. id图7测点5和32在疲劳过程中的静载-主应力图b.上承拉件在设计荷载751.9KN作用下测点最大位移分别为：0.71mm,1.22 mm 和2.58mm，在经过50万次疲劳之后，各测点的位移变化趋于稳定，荷载-位移曲线的一致性较好，其静载-位移图见图8。图8位移测点4在疲劳过程中的静载-位移图结论：经过300万次疲劳之后上承拉件未发现裂纹，说明材料性能稳定，有良好 的抗疲劳性能。B盆式橡胶支座承压疲劳试验试验项目：聚四氟乙烯模压板在侧向约束条件下承压疲劳性能；橡胶块的承压疲劳性能；黄铜密度圈的承压疲劳性能；盆环的承压疲劳性能。试验单位：西南交通大学结构工程试验中心试验方法：见A上承拉件压弯疲劳试验之试验方法，荷载布置图亦见图5。变形测点布置见图9。图9盆式橡胶支座零部件变形测点布置试件数量：2 X3个试验结果：a盆环各点应力经过疲劳循环保持基本稳定，没有发生较大变化，各 指定测试位置的实测应力远小于材料容许应力，说明上承拉件有较大的强 度安全度，在最大荷载 791.4KN作用下，固定支座盆环测点最大拉应力 为31.71Mpa 和30.6Mpa，活动支座盆环测点最大拉应力为 23.74Mpa 和七 11.51Mpa。b经过300万次疲劳之后，固定支座橡胶块厚度变形为：0.205mm(0.7%)、0.095mm(0.34%)，活动支座橡胶块厚度变形为：0.33mm(1.2%)、 0.01mm(0.03%)，残余变形很小。c经过300万次疲劳之后，活动支座聚四氟乙烯模压板厚度变形为：0. 24mm(3.5%) 、0.41mm(5.6%) 、0.115mm(2%)。结论：经过300万次疲劳之后，盆环未发现裂纹，聚四氟乙烯模压板、橡胶块和 黄铜密封圈均没有任何损坏。七PC轨道梁及支座系统的静载、疲劳、破坏及解剖试验由于重庆市较新线一期工程是我国第一次采用跨座式轨道交通系统，而且PC轨道梁及支座都是由我国自己设计和制作，虽然 PC轨道梁及铸钢支座其外观形式与日本的产品 相似，但其材质、预应力材料等都不尽相同，而且还首次采用承拉盆式橡胶支座，因此对 其使用的安全性、耐劳性等指标都需要进行验证和评估，故决定对实体的20m曲线轨道梁及承拉铸钢支座系统、实体 22m的直线轨道梁及承拉盆式橡胶支座系统均进行静载、 疲劳、破坏及解剖试验。试验在西南交通大学结构工程试验中心进行。涉及支座的试验项 目有：轨道梁跨中疲劳试验中支座应力及变形、梁端及支座疲劳试验和支座分解试验。从重庆市跨座式单轨交通 PC梁静载、疲劳、破坏及解剖试验报告中摘录承拉盆式橡 胶支座和承拉铸钢支座各项试验结果的比较列表如下：承拉盆式橡胶支座承拉铸钢支座5 PC直梁跨中疲劳试验5.6.3支座变形固定及活动支座上承拉件中央竖向位移量在0.180.23mm 之间，活动盆式橡胶支座压缩量在0.0520.12mm 之间，固定支座压缩量在0.0670.151mm 之间。6 PC曲梁跨中疲劳试验5.6.4支座应力6.6.3支座应力最大应力仅为 12.8Mpa和活动支座上摆最大主拉压应力为-15.12Mpa（固 定支座）、11.97Mpa 和12.59Mpa 和-24.25Mpa ;活动支座轴最大-19.95Mpa（活动支座），疲劳作用对支座应力分布不大。主拉压应力为58.42Mpa 和-70.93Mpa ;活 动支座轴下垫块最大主拉压应力为 86.64Mpa 和-72.24Mpa ;疲劳作用对支座 应力分布影响下大。566试验观测2、在疲劳循环中，固定盆式橡胶支座纵向位移约0.5mm，活动盆式橡胶支座纵向位移约2.5mm。6.6.5试验观测2、在疲劳循环中，固定铸钢支座纵向位移约0.2mm，活动铸钢支座纵向位移约2.5mm。7 PC直线梁梁端及支座疲劳试验7.7支座疲劳试验结果及分析活动支座上承拉件中央竖向位移量在0.4250.63mm之间，活动盆式橡胶支座 压缩量在0.1520.23mm 之间。活动支座上承拉件最大压应力出现在侧面凹弧处，其值在-110.5-141.5Mpa 之 间，最大拉应力出现在下缘侧凹弧处，其值 在35.0743.87Mpa 之间，下盆环最大环 向拉应力19.11Mpa。8 PC曲梁梁端及支座疲劳试验8.7支座疲劳试验结果及分析活动支座上摆侧面最大主压应力 -15.24Mpa，最大主拉应力33.03Mpa，下 摆最大主拉应力78.48Mpa，最大主压应力 -29.98Mpa， 垫块最大主拉应力81.53Mpa，最大主压应力-25.2Mpa，轴最 大主拉应力53,12Mpa ，最大主压应力 -123Mpa 。7.8试验观测2在疲劳过程中，固定盆式橡胶支座纵 向位移约0.1mm，活动盆式橡胶支座纵向 位移约0.3mm。3支座升温至55 C,试验频率下降后8.8试验观测2在疲劳循环中，固定铸钢支座纵向位移约0.1mm，活动铸钢支座纵向位移约0.2mm。温度随之下降。3竖向摆动幅度1-2mm（固定），3-4mm（跨中）,0.5-1mm（活动），横向摆动较 大，幅度 4-5mm（固定）,6-7mm（跨 中）,1-2mm（活动）。1 PC梁解剖试验1 PC梁解剖试验1.2.2梁体解剖结果1.3.2梁体解剖结果9直梁承拉盆式橡胶支座预埋锚固筋9曲梁铸钢支座预埋锚固筋与砼粘结与砼粘结良好。良好。1141直梁盆式橡胶支座分解1.4.2曲梁铸钢支座分解1球面螺栓及柔性拉杆螺纹完整，无明1上、下摆之间的结合面有明显磨损现显损伤。象。2盆式橡胶支座内的橡胶无明显变形，2固定支座销轴为普通ZG35，有锈蚀侧面橡胶圈垫有磨损痕迹。现象，与上下摆结合段有明显的压痕及磨损。3聚四氟乙烯板有挤压和磨损。3固定支座的上、下摆销轴孔内略有磨4支座其余部件正常。损。4活动支座销轴及垫块表面镀铬，略有压痕。5支座其余部件正常。12综合结论及建议2综合结论及建议12.3承拉盆式橡胶支座试验结论2.3铸钢支座试验结论1承拉盆式橡胶支座整体具有良好的3铸钢支座整体具有良好的耐劳性，材耐劳性，材料性能稳定。料性能稳定。2在试验荷载下，活动承拉盆式橡胶支4在静力试验荷载和抗扭试验荷载下座上承拉件最大应力为-141.5Mpa ，考虑到活动支座销轴或大应力为，计入上部结构重上部结构重量，局部受力较大。量，局部受力较大。承拉盆式橡胶支座质量良好，具有足够铸钢支座具有足够的静力强度和良好的的静力强度和良好的耐劳性能、结构强度、耐劳性能、结构强度、刚度、动力性能及抗刚度、动力性能及抗疲劳能力和整体稳定性疲劳能力和整体稳定性能，满足设计要求，能，满足设计要求，但局部应力偏大。但局部应力偏大，销轴间隙较大。八 轨道梁承拉盆式橡胶支座项目评审轨道梁承拉盆式橡胶支座在完成基本研制后，进行了二次的项目评审：1四川省经济贸易委员会主持的项目评审2000年元月2526日，由张琳研究员、刘济源设计大师、胡正民教授等13位专家组成的项目评审委员会对轨道梁承拉盆式橡胶支座进行了评审，一致认为：轨道梁承拉盆式橡胶支座的技术参数和性能指标基本符合我国跨座式单轨交通工程 的设计和使用要求，符合我国现行的有关标准和规范；承拉盆式橡胶支座是以盆式橡胶支 座和T型头柔性拉杆两项成熟技术在跨座式单轨交通系统中的创新应用，设计构思新颖、 技术性能可靠，具有良好的社会经济效益。符合单轨交通轨道梁支座的国际发展方向，可 以在跨座式单轨交通轨道梁工程中应用。2重庆市基本建设委员会主持的对较新线一期工程直线梁使用的承拉盆式橡胶支座设计图纸的审查2000年10月30日由张琳研究员、周庆瑞教授级高工等9位专家的项目评审委员会 对轨道梁承拉盆式橡胶支座设计图纸进行了审查，一致认为：承拉盆式橡胶支座是我国使用多年的盆式橡胶支座和T型头柔性拉杆两项成熟技术 在单轨交通工程中的创新应用，设计构思新颖、各构件功能明确、结构合理。支座材料选用合理，性能满足支座功能要求；支座设计依据充分，计算合理准确，符合有关标准、规 范；各主要部件通过静荷载及 300 万次疲劳试验，证明其强度符合要求。技术性能可靠，具有良好的社会经济效益。在制造及安装质量符合设计规定的条件下，承拉盆式橡胶支座性能满足直线轨道梁的使用要求，可在初步设计鉴定意规定的范围内试用。