CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座调高试验研究

胡宇新,卢瑞琳,郭红峰,蒋瑞秋

(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

我国客运专线建设中广泛采用了无砟轨道技术,这对桥梁基础沉降控制提出了更严格的要求。如何可靠快捷地解决桥梁基础沉降问题是客运专线无砟轨道技术应用必须解决的课题。通过对CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座试验性研究,可以看出采用液压调高盆式橡胶支座是一种解决桥梁基础沉降问题的方便、可靠方法。

1 CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座调高原理和优点

1.1 液压调高方式与垫板调高方式比较

目前国内外已采用过的支座调高方案主要有垫板调高、螺旋调高、楔块调高、液压调高等4种方式,通过在支座顶部或底部加垫钢板的垫板调高方式是目前国内外最常用也是最简便实用的方案；目前在我国客运专线使用的盆式橡胶支座要求都具有垫板调高功能。然而,垫板调高方式虽然简单,但因为每次调高时需要根据调高高度另外加工钢垫板,并且加工钢垫板时需要与已有支座相关尺寸配合加工,否则会导致调高钢板装不上；另外每次实施垫板调高时需先使用千斤顶将梁顶起后再将加工好的调高钢垫板插入支座和梁底之间,然后还需要拧紧支座锚固螺栓,调高操作时需要在墩台上多人配合,因此垫板调高方式在具体组织实施时会带来进度和施工安全保障上的很多困难。而液压调高方式可以很好地避免垫板调高方式带来的上述不便。液压调高的原理是用高压注射设备向密闭的支座钢盆内注入填充液态弹性材料,使支座上板和梁底抬高从而达到调高目的,其原理类似油压千斤顶。注射进入支座钢盆内的填充液态弹性材料在一定的时间内(可以根据实际需要调节)可以快速固化,固化后材料可以可靠地承受桥梁荷载。从调高原理可以发现，液压调高方式具有可以实现无级调高、持荷调高、调高操作简便安全，无需千斤顶顶梁、调高时间短等众多优点,同时,液压调高方式在支座调高的同时还可以根据调高设备压力表上的压力显示通过计算达到实测支座实际受力的目的。

1.2 CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座调高原理和优点

图1 CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座调高示意

CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座是铁道第四勘察设计院引进意大利ALGA公司先进成熟技术研发的一种适应国内施工特点的新型液压调高支座。其调高原理为在盆式橡胶支座钢盆和承压橡胶垫之间注入填充液态弹性材料,抬高承压橡胶垫在底盆中的位置从而抬高支座上板和桥梁上部结构达到调高目的。CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座具体结构如图1所示,支座调高注射通道加工在钢盆侧壁和底部,而且可根据需要在钢盆内加工出多组注射通道从而达到支座多次调高目的；外部调高设备通过精密的管螺纹与支座注射通道联接,在外部调高设备与CKPZ-T液压调高支座之间装有单向阀,在调高完成后及时关闭单向阀可以确保注射入支座钢盆内部的填充液态弹性材料在固化的过程中不会泄漏,同时单向阀还可以确保调高后能及时拆除外部调高设备进行清洗,以保证填充液态弹性材料不在外部调高设备内固化,确保外部调高设备的重复使用。CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座利用承压橡胶垫竖向受压后会发生径向变形贴紧钢盆侧壁，并且承压橡胶垫给予钢盆侧壁的压力与其竖向受力完全相同，两者之间维持动态平衡的原理来进行密封,可以可靠地防止支座调高时填充液态弹性材料从承压橡胶垫和钢盆侧壁之间泄漏。从以上可以看出,CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座除具有一般液压调高支座优点外，还具有结构简单、与普通盆式支座相比成本增加不多、可实现多次调高、调高安全可靠不泄漏等优点,可很好地满足实际工程需要。

2 CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座试验室调高试验

2.1 试验基本情况介绍

为了研究CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座的调高工艺,验证支座调高工艺的可靠性和支座性能的可靠性,分别试制了竖向承载力为1 750 kN的调高支座和竖向承载力为6 000 kN的CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座,填充液态弹性材料分别采用了环氧树酯材料和聚氨酯材料,在桥梁支座专用检测设备400 t试验机和5 200 t试验机上进行了两种型号调高支座的调高试验和支座性能检测。

2.2 主要试验内容

客运专线盆式橡胶支座相关技术规范《铁路桥梁盆式橡胶支座》(TB/T2331—2004)、《客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件》(科技基(2005)101号)、《客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件补充规定》(科技基(2007)97号)只对普通盆式橡胶支座的型式试验要求做了规定,但对液压调高盆式橡胶支座的试验要求没有明确规定。根据研发单位铁道第四勘察设计院相关技术要求,考虑支座使用工况和支座调高前后都必须具备支座正常使用功能的基本要求,此次调高支座主要进行了如下试验：(1)严格按照《铁路桥梁盆式橡胶支座》(TB/T2331—2004)要求进行调高试验前支座的性能试验,包括支座竖向承载力试验、支座摩擦系数试验、支座压转试验,要求调高前支座各项性能满足标准要求；(2)按照50%支座设计竖向载荷、100%支座设计竖向载荷条件下分别进行支座调高试验,要求在上述两种竖向荷载下支座可以方便快捷的调高到设计高度,在调高过程中不允许任何的填充液态弹性材料的泄漏发生,同时要求在规定的时间内注射入调高支座钢盆内的填充液态弹性材料完成固化；(3)严格按照《铁路桥梁盆式橡胶支座》(TB/T2331—2004)要求进行调高试验后支座的性能试验,包括支座竖向承载力试验、支座摩擦系数试验、支座压转试验,要求调高后支座各项性能满足标准要求；同时试验后打开支座检查，要求支座各部件以及固化后的填充弹性材料无任何损坏。

2.3 试验结果

CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座试验室试验情况见图2～图5,1 750 kN支座、6 000 kN支座调高前后试验数据对比见表1。

图2 1 750 kN支座调高试验

图3 6 000 kN支座调高试验

图4 1 750 kN支座调高后支座承压试验和压转试验后填充环氧树酯情况

图5 6 000 kN支座调高后支座承压试验和压转试验后填充聚氨酯情况

表1 1 750 kN支座、6 000 kN支座调高前后试验数据对比

通过以上试验可以发现，1 750 kN型号和6 000 kN型号CKPZ-T液压调高支座在50%支座设计竖向载荷、100%支座设计竖向载荷条件下，均可以通过向支座底盆内部注射填充环氧树酯和填充聚氨酯的方式方便地实现调高目的；调高过程中填充环氧树酯和填充聚氨酯没有任何泄漏情况发生；调高后支座功能正常与调高前基本无变化,完全满足相关标准要求；调高过程中注入支座底盆的填充环氧树酯和填充聚氨酯固化情况良好,在支座承压试验和压转试验后检查固化后的填充环氧树酯和填充聚氨酯无任何破损,支座其余部件在试验过程中也无任何破坏。

3 CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座工地现场调高试验

随着国内对液压调高支座的认识和研究不断加深,液压调高支座的优点也逐渐被各方接受,目前液压调高支座已广泛应用于我国客运专线建设,如CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座已成功应用于武广客运专线、沪宁城际铁路、福厦铁路、广珠城际铁路、京沪客运专线、沪杭客运专线等,特别是沪杭客运专线全线采用了7 000多颗CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座。一直以来液压调高支座各种试验、研究工作一般多在试验室进行,限于各种客观条件约束,液压调高支座实桥调高试验研究很少,随着液压调高支座在客运专线的广泛应用,其实桥调高操作的安全性、方便性、可靠性究竟怎样越来越受到各方关注,铁道部工管中心于2008年专门下发了《关于认真做好客运专线桥梁支座调高试验工作的通知》(工管技(2008)73号),要求各相关设计单位、支座生产厂家组织进行液压调高支座的实桥调高试验，以验证液压实桥调高的可操作性和可靠性。根据铁道部要求，武广铁路客运专线公司于2008年10月份组织支座设计单位铁道第四勘察设计院、支座生产单位株洲时代新材料科技股份有限公司、支座安装单位中铁三局在武广客运专线中铁三局衡阳柏树梁厂进行了CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座的实梁调高试验。

此次实梁调高试验在梁厂1孔预制好的32 m简支梁进行(图6),试验支座为1孔6 000 kN型号的CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座,试验支座安装在梁底预埋钢板和梁厂承梁垫石之间,试验时选取32 m简支梁一端的2个支座同时进行调高操作,分别由2套调高设备和2套高度监控装置(数显百分表)进行试验,试验时控制2个支座上升高度差在2 mm之内,2支座设计调高高度均为20 mm。实梁调高过程中两支座均能顺利调高到设计高度20 mm,时间持续约20 min,整个调高过程中无任何泄漏发生,调高完成后6 h拆除打开支座检查,填充环氧树酯固化情况良好无损坏,支座其余部件无损坏。将经过实梁调高试验后的支座在试验室按照铁标《TB/T 2331—2004》要求进行支座竖向承载力试验、支座摩擦系数试验、支座压转试验,试验结果完全满足标准要求,实桥调高试验取得成功。但此次实桥调高试验也暴露出了一些问题,如2个支座采取2套调高设备的操作同步协调问题，由于填充环氧树酯固化后理论体积收缩率与实际值偏差导致最后实际调高高度(19.8 mm)与设计调高高度(20 mm)的偏差问题，由于试验时温度较低导致填充环氧树酯实际固化时间(6 h)与理论值(3 h)偏差较大问题等,这些问题都需要在今后进一步的研究时予以解决,才能确保今后线路实际运营调高操作时的方便、快捷、高效。

图6 武广客运专线实梁CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座调高试验

4 CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座调高工艺

经过大量的支座试验室相关试验以及实桥调高实践我公司摸索总结相关经验,制定了CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座实桥调高工艺和相关注意事项,主要内容如下。

(1)实桥调高前准备：①检查桥梁、支座工作状态；②计算支座调高量；③确定支座调高方案。

(2)支座调高前准备：①安装调高专用设备和其他辅助设施；②连接各管路,确保接头无泄漏；③启动调高设备,仔细观察各部是否正常运转；④根据支座调高量以及要求的固化时间计算所需填充聚氨酯或环氧树酯各单料质量,按相关规定比例配料。

(3)施工操作要点：①各管路排出空气后,再安装与支座连接的接头；②调高过程中,随时检查同一墩台上相邻支座调高过程的同步性,避免产生过大的高度差(一般情况下不超过2 mm)。同时应随时观察调高设备压力表,了解各支座受力状态,通过高度测量装置及时了解调高情况。③调高完成确认梁体高程和支座承载力满足要求后,先关闭外部单向阀后再关闭调高设备停止工作,以防止填充聚氨酯或环氧树酯从支座内部挤出。④支座调高结束后应及时拆除连接管路,清除调高设备内剩余填充聚氨酯或环氧树酯,并用专用溶剂清洗各设备型腔,防止填充聚氨酯或环氧树酯固化在调高设备内。

(4)注意事项：①填充聚氨酯或环氧树酯须贮存在干燥的密封桶内,防潮湿；施工过程中,避免水侵入。②填充聚氨酯或环氧树酯配料时两单体料混合后应充分搅拌使其混合均匀；料量要充足适当,确保一次压注即可满足调高要求而又不浪费。特别要注意考虑填充聚氨酯或环氧树酯固化后的体积收缩比问题。③施工过程中应及时注意观察调高设备上的压力表显示，以防止注射压力异常发生危险。④调高结束应及时清理工作场地。

(5)调高设备选择：①要求最大注射压力大于30 MPa,压力提升快；注射压力稳定持久,可连续工作；②注射压力可显示；③体积小、质量轻,便于携带,便于野外操作；④设备注射通道拆装方便,利于清洗；⑤价格适中,性价比好。

5 CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座调高材料

液压调高支座主要是利用注射填充液态弹性材料来实现调高目的,同时注射进入支座底盆的填充液态弹性材料固化后将成为支座的一部分,与支座一起共同承担桥梁上部结构的荷载,因此填充液态弹性材料的选用很重要,其各项性能将直接影响液压调高支座的操作方便性、安全性和可靠性。一般注射填充液态弹性材料要求有较好的流动性,有较短的固化时间并且固化时间可调；要求有很好的化学稳定性,不能与橡胶、金属材料、硅油脂等支座部件发生化学反应,要求有良好的力学性能,能可靠地承受桥梁载荷等要求。CKPZ-T液压调高支座填充液态弹性材料目前有填充聚氨酯和填充环氧树酯两种材料,其性能要求见表2。

表2 调高用填充聚氨酯、环氧树酯材料性能

分别对填充聚氨酯和填充环氧树酯2种材料性能进行了实测,对2种材料注射入支座底盆固化后的样品进行了本体取样试验,试验数据见表3，表4。

表3 调高用填充聚氨酯材料性能试样实测结果

表4 调高用填充环氧树酯材料性能实测结果

根据支座试验室试验和实桥调高试验情况和以上材料实测结果可以发现，填充聚氨酯和填充环氧树酯两种材料可以很好的用于CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座调高操作,同时这两种材料采购方便,价格适中,质量稳定,因此可以很好地应用于桥梁液压调高实际工程。

6 结语

随着对液压调高支座研究的不断深入以及大量的工程运用验证,采用液压调高支座已成为解决桥梁基础沉降问题的有效方法,特别是对于线路经过软土地基区段较长且桥梁所占比率较大的无砟轨道客运专线,采用液压调高支座经济效益和社会效益更明显。经过大量试验验证CKPZ-T液压调高盆式橡胶支座是一种结构简单、调高操作简便、安全、快捷、性能可靠的液压调高支座,可以很好的满足我国客运专线建设的需要。同时,对液压调高支座用填充液态弹性材料的工艺性今后需进行更深入的研究,如实际固化时间、体积收缩率的确定和控制等,以便于液压调高支座能更好的应用于工程实际。

[1]科技基(2005)101号)，客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件[S].

[2]科技基(2007)97号，客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件补充规定[S].

[3]TB/T2331—2004，铁路桥梁盆式橡胶支座[S].

[4]张士臣.调高支座在客运专线桥梁上应用的研究[J].铁道工程学报,2004(S1)．

[5]李利方.客运专线桥梁调高支座新技术试验性研究[J].铁道标准设计,2010(1)．

[6]张士臣,臧晓秋,庄军生，等.填充聚氨酯调高盆式橡胶支座[J].铁道工程学报,2007(S1)．