沙尘侵入对铁路桥梁支座摩擦因数的影响试验研究

庾光忠，夏俊勇，刘 羽， 金怡新， 刘 军，宁响亮

（1.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007；2.成都亚佳工程新技术开发有限公司，四川成都 610000）

1 桥梁支座

支座是桥梁结构中的重要构件，在整个桥梁生命周期中起到支承上部梁体荷载的作用，同时还要起支持梁体转动、滑动或限位的作用。球型支座由上支座板、平面耐磨板、球冠衬板、球面耐磨板及下支座板组成，如图1所示。因其承载能力高、转角大、转动灵活、转动力矩与转角无关、密封性好等优点，广泛应用于我国西北地区各种跨度、各种类型的桥梁［1-4］。

图1 支座结构示意

新疆、内蒙等我国内陆北纬地区气候干燥，沙漠广阔，是沙尘暴的多发区。根据陶健红的研究成果，西北地区各月平均沙尘日数如表1所示［5］。

风沙的侵袭将大量细小沙砾带入滑动副和转动副，极易加速耐磨板的磨损，最后导致支座失效，因而地处风沙地区的桥梁对支座有了更高的要求。现有球型支座也设置有防尘罩装置，但没有完全密封，风沙极易进入支座内部。风沙侵入对支座影响的试验研究目前较少，本文主要针对风沙侵入对球型支座短期摩擦因数的影响展开研究。

表1 西北地区各月平均沙尘日数

2 试验研究目的

铁路球型支座的平面摩擦副一般由改性超高分子量聚乙烯材料耐磨板与镜面不锈钢板组合而成，在耐磨板表面涂一层硅油脂以降低摩擦因数。沙尘侵入短期内会直接破坏硅油脂所形成的油膜，长期情况下会影响支座摩擦副接触表面的粗糙度，从而影响摩擦因数。本文针对不同含沙量侵入情况下球型支座的静摩擦因数进行试验研究，验证含沙量对球型支座短期静摩擦因数的影响，并与TB/T 3320—2013《铁路桥梁球型支座》静摩擦因数容许值对比［6］，对含沙量大小的影响做出评判，可为支座密封结构设计及实际使用提供参考。

3 试验设计与过程

3.1 试验设计

3.1.1 试验对象

本体采用1 台TNQZ-Q3000-ZX-e30-0.15g 球型支座［7］，竖向承载力 3 000 kN，纵向型，位移30 mm（如图2所示）。对平面摩擦副撒沙模拟沙尘侵入，并测试平面滑移静摩擦因数。平面摩擦副由改性超高分子量聚乙烯（设置有储脂槽结构）、平面镜面不锈钢（牌号06Cr18Ni11Ti）及硅油脂组成，均符合TB/T 3320—2013的要求。

图2 支座照片

3.1.2 沙尘粒径的确定

风沙流中，高度不同的地方分布的沙粒粒径不同。一般离地表越高，细颗粒的含量越多，沙粒主要为悬浮状态；反之，越接近地表则沙粒直径越大。风沙运动的起沙基本方式有悬移、跃移和蠕移3 种。悬移的粒径通常小于100 μm，这些颗粒容易被大风带到空中悬移，从而被风输送，有时输送距离会很大。跃移颗粒的直径范围为100～500 μm，当起动风速为5 m/s 时便可发生跃移。蠕移的沙粒直径范围为500～1 000 μm，由于沙粒太重只能在地表滚动移动，不能进入风中［8］。基于以上理论，根据公开的技术资料，新疆百里风区离地面9 m 处沙粒粒径以小于0.25 mm（60目）粒径段为主，其粒径分布见表2。

表2 新疆百里风区离地面9 m处沙粒粒径分布

结合实际情况，本试验的沙粒粒径采用此粒径段。试验用沙从市面购买，为干燥沙，通过振动筛分法依次过筛孔尺寸为0.50 mm 和0.25 mm 的筛，然后按比例进行调配，使其符合新疆百里风区离地面9 m处沙粒的粒径分布。

3.1.3 试验机及称量仪器

采用10 MN 支座专用压剪试验机，标称竖向压力为10 MN，水平剪切力为1 MN，剪切位移为±250 mm。称量仪器采用电子称，精度为0.1 g。

3.1.4 试验步骤

1）将支座试样置于试验机的承载板上，试样中心与承载板中心位置对准，精度小于1%球型支座直径。

2）将支座竖向设计载荷以连续均匀的速度加满，在整个试验过程中摩擦因数保持不变，预压时间1 h。

3）正式加载。用水平力加载装置连续均匀地施加水平力，由专用的压力传感器记录水平力大小，支座一旦发生滑动即停止施加水平力，由此计算出支座的初始摩擦因数。试验过程连续进行5次。

4）以实测第2 次至第5 次滑动摩擦因数的平均值，作为支座的实测静摩擦因数。

5）每次取5 g 配制沙尘均匀撒布在耐磨板上，重复上述步骤1—4。记录每次的实测静摩擦因数值，直至摩擦因数连续2次的实测值大于0.030，终止试验。

3.1.5 试验环境

根据TB/T 3320—2013，试验环境温度要求在（23±5）℃，实测试验环境温度约28 ℃。

3.2 试验过程

拆开支座，撒沙，试验后零部件观察的过程如图3所示。其中撒入的细沙大部分在支座滑移的过程中被聚集到了耐磨板的储脂槽，与储脂槽中的硅油脂混合黏聚成团，在平面不锈钢板揭开时，硅油脂与细沙的混合团状物黏附于镜面不锈钢板。撒入的细沙少部分处于平面耐磨板储脂槽外，在支座滑移的过程中与镜面不锈钢板及耐磨板接触摩擦，在镜面不锈钢板及耐磨板上留下细微的划痕。

图3 试验零部件照片

4 试验数据及分析

根据上述试验方法进行试验，得到不同含沙量情况下的支座静摩擦因数试验曲线，如图4所示。

静摩擦因数计算结果见表3。

根据TB/T 3320—2013，常温（23±5）℃下，支座摩擦因数应小于等于0.03。而根据试验数据，支座短期摩擦因数对沙尘侵入较为敏感，当含沙量达到5 g时，静摩擦因数为0.028，已接近标准容许值的上限；含沙量达到10 g 时，静摩擦因数为0.048，已超过标准容许值；含沙量达到15 g 时，静摩擦因数进一步增大为0.056，超过了球型支座在低温环境下的摩擦因数限值0.05。图4中静摩擦因数呈现随含沙量增加而增大的趋势，但曲线随着含沙量增加有变密的趋势，说明测试含沙量范围内，含沙增量对摩擦因数的影响越来越小。

图4 试验曲线

表3 不同含沙量情况下支座静摩擦因数

5 结语

本文结合新疆地区实际沙尘情况，对一个3 000 kN支座进行了0，5，10，15 g 含沙量情况下支座短期静摩擦因数试验研究，试验结果表明随着含沙量的增加支座静摩擦因数逐渐增大。对比TB/T 3320—2013《铁路桥梁球型支座》静摩擦因数容许值，评判了含沙量的影响大小，为支座密封结构设计及实际应用提供了一定的数据参考。

根据试验研究结果可知，对西北地区铁路桥梁支座采取严密措施防止风沙侵入十分必要，建议支座采用完全密封的严密防沙尘形式。另外，针对沙尘侵入对耐磨板的磨耗及对长期摩擦因数的影响，本文尚未展开试验研究，有待业内进一步深入研究。