汪清QZ球形支座抗冷冻性能试验及其结果分析

1、概述
我国幅员辽阔，各地区温差较大。-25℃等温线从辽东半岛起，经天津、北京、陕西、四川西部到云南北部。在西部地区，新疆阿勒泰极端最低气温在-45℃以下，然后向南递增，天山中西段、准噶尔盆地的最低气温可降到-30℃以下。最低气温在-40℃～-50℃的测点有黑龙江的塔河、新林、大兴安岭及孙吴等。兰新线、哈大线是我国开通的穿越高寒地区的高速铁路，在该线路的高架桥梁中大量使用汪清QZ球形支座，为改善桥梁在高寒低温条件的结构性能发挥重要作用。
QZ球形支座的应用工况较为恶劣。在高寒地区使用的QZ球形支座必须具备一定的耐低温性能，尤其是QZ球形支座中的减振件和高分子耐磨材料，只有在一定的温度范围内才能呈现良好的弹性。如果温度过低，分子链冻结，完全失去弹性，材料变硬、摩擦力增大，减振效果将变差，直接影响到桥梁结构的安全性和可靠性。
为确保高铁桥梁结构的安全性和可靠性，必须对QZ球形支座的力学性能进行检测，尤其是低温力学性能，但传统的常温试验方案无法测试出QZ球形支座的低温力学性能。如果QZ球形支座的低温力学性能不合格，将导致桥梁的减振和耗能作用变差，影响到列车运行的安全性和舒适度。因此非常有必要设计一种新型试验方案，并对QZ球形支座的低温力学性能进行检测和分析。
2、QZ球形支座的结构及作用
QZ球形支座是在普通汪清盆式橡胶支座基础上发展起来的一种新型桥梁支座，由上支座板、不锈钢板、球冠衬板、球面滑板、导轨和下支座板等组成。球面滑板材质为聚四氟乙烯（PTFE），其他配件材质均为金属材料。QZ球形支座竖向设计载荷为250kN。QZ球形支座结构如图1所示。
QZ球形支座安装于高速铁路桥梁的桥墩与梁体之间，通过球冠衬板在球面滑板上滑动来满足桥梁的大转角要求，可实现0.06rad以上的转动角度。它既具有盆式汪清橡胶支座的承载力大、位移大等特点，又具有传力可靠、反力均匀、转动力矩小、转动灵活、各向性能一致等诸多优良性能，因此在高铁桥梁建设中得到广泛应用。
3、试验
3.1试验标准
QZ球形支座试验主要参照GB/T17955—2009《桥梁QZ球形支座》、TB/T3320—2013《铁路桥梁QZ球形支座》、JT/T873—2013《公路桥梁多级水平力QZ球形支座》、JT/T927—2014《桥梁双曲面汪清球型减隔震支座》、EN1337—7：2004《结构支座第7部分：球状和柱状PTFE支座》，试验方法按《QZ球形支座试验大纲》执行。
3.2试验项目
QZ球形支座力学性能试验包括抗冷冻性能、竖向承载性能、摩擦系数、水平承载力及转动性能试验等。①抗冷冻性能试验：将QZ球形支座在规定低温条件下冷冻到规定时间后，测试QZ球形支座的金属件和非金属件是否出现异常或破坏；②竖向承载性能试验：测试QZ球形支座在低温冷冻后压缩变形的变化情况；③摩擦系数试验：QZ球形支座在低温冷冻后，测试水平摩擦系数的变化情况；④水平承载力试验：QZ球形支座在低温冷冻后，对QZ球形支座施加水平力，测试金属件的承载特性；⑤转动性能试验：QZ球形支座在低温冷冻后，测试QZ球形支座初始转动力矩的变化情况。
3.3抗冷冻性能试验
3.3.1试验装置
试验装置主要由试验机、低温箱和试验工装组成。低温箱是可拆解、模块化的结构，可以模拟高寒低温环境，使QZ球形支座始终保持低温状态，箱体可以沿水平前后方向移动。
3.3.2试验方法
试验前，先将QZ球形支座在23℃±5℃的环境温度中静置24h。试验时，先将QZ球形支座放置于低温箱中，再将放有QZ球形支座的低温箱和试验工装放置于试验机加载中心，通过工装的导柱实现垂向导向和加载，通过机组制冷完成QZ球形支座的低温冷冻。
试验机垂向以250kN/min加载速度加载至设计载荷250kN并保持不变，在低温-50℃条件下放置7天。选用PG21硅油脂和TL5201-2硅油脂进行分析比对，硅油脂分别涂抹在不锈钢板和球面滑板之间。
3.3.3试验结果
试验后，拆解QZ球形支座，对各零部件进行目视检查，各零部件及表面油漆均无损坏、异常，PG21硅油脂未凝固，TL5201-2硅油脂发生凝固。
3.3.4试验结果分析
QZ球形支座在低温承载工况条件下金属件、非金属件和表面油漆均无损坏，这表明QZ球形支座各零部件均具有较好的抗冷冻性能；PG21硅油脂低温状态下不易凝固，具有良好的抗冷冻性能，高寒系列
QZ球形支座应选用。
3.4竖向承载性能试验
3.4.1试验装置常温竖向承载性能试验装置由混凝土机架、垂向油缸、传感器、加载平台和承载平台组成，采用4个垂向油缸组合对QZ球形支座施加压缩载荷进行试验。这种装置虽然输出载荷比较大，但无法进行低温试验，对其进行改进后满足低温工况的测试。
3.4.2试验方法
预加载：QZ球形支座在-50℃条件下放置7天后，在低温试验条件下竖向以250kN/min的速度加载至250kN，连续加载循环3次，间隔5min后进行加载试验。加载：以250kN/min速度竖向加载至250kN，连续加载循环3次，记录第3次竖向载荷与变形曲线。

极限加载：以250kN/min速度竖向加载至1.4倍设计载荷，即350kN，观察QZ球形支座是否破坏。

3.4.3试验结果
QZ球形支座加载350kN，QZ球形支座未破坏。竖向加载250kN的特性曲线如图4所示。
3.4.4试验结果分析
QZ球形支座在低温加载工况条件下，金属件、非金属件和表面油漆均无损坏；低温条件下加载至350kN时QZ球形支座未被破坏。从图4看出，常温下（23℃）和低温下（-50℃）的竖向变形分别为0.89mm和0.87mm，满足标准要求（竖向变形小于1.5mm）。
低温竖向变形偏小的原因有：①常温性能试验前QZ球形支座不进行预加载，QZ球形支座金属和非金属件均未进行应力调节。而在低温性能试验前QZ球形支座进行预加载。②随着温度的降低，QZ球形支座的球面滑板硬度变大，硅油脂发生凝固。数据表明低温对QZ球形支座竖向变形影响较小。QZ球形支座具备一定的安全承载系数，产品性能稳定，满足高寒地区桥梁承载的要求。
3.5水平承载力试验
3.5.1试验装置
检测水平承载力的低温机械加载试验装置由垂向传动机构、垂向横梁、试验工装、底平台和横向传动机构组成。低温机械加载式试验装置如图5所示。
3.5.2试验方法
（1）预加载：试验前，先将QZ球形支座在-50℃下放置7天，再通过垂向传动机构对QZ球形支座以250kN/min的加载速度施加竖向载荷至250kN并保持不变。通过横向传动机构对QZ球形支座以37.5kN/min的速度施加水平载荷至37.5kN，连续加载循环3次，间隔5min后进行加载试验。
（2）加载：对QZ球形支座以250kN/min的速度施加竖向载荷至250kN并保持不变。以37.5kN/min的速度对QZ球形支座施加水平载荷至37.5kN，连续加载3个循环。记录第3次的竖向载荷与变形曲线，利用试验机外接位移传感器或百分表测量QZ球形支座水平变形量。
3.5.3试验结果
QZ球形支座没有明显变形、异常破坏现象。低温水平承载特性曲线如图6所示。
3.5.4试验结果分析
从图6看出，QZ球形支座常温和低温水平承载变形分别为0.037mm和0.036mm，二者区别不大，说明低温对QZ球形支座水平承载性能影响不明显；低温水平承载特性曲线呈线性，卸载后QZ球形支座恢复原有状态，这是因为水平变形主要是QZ球形支座金属件的弹性变形，去除外力后自动恢复。
3.6摩擦系数
3.6.1试验装置
检测摩擦系数的低温单剪试验装置由加载头、固定板、导向板、导向柱、剪切板、水平加力杆、连接块和底座等组成。
3.6.2试验方法
QZ球形支座在-50℃下放置7天后，通过试验机垂向油缸以250kN/min的速度对QZ球形支座垂向加载至250kN保持不变。QZ球形支座与滑动体（PTFE与镜面板）组对形成一对摩擦系数相同的滑动摩擦副，安装于下框架式二维加载低温试验装置内。利用试验水平油缸对QZ球形支座施加水平载荷至QZ球形支座出现滑动，记录初始摩擦力（水平载荷），计算QZ球形支座摩擦系数。
3.6.3试验结果分析
从表1看出，QZ球形支座常温和低温摩擦系数分别为0.006和0.035，这表明随着温度降低，QZ球形支座摩擦系数变大，且变化明显。这是由于温度降低，硅油脂滑润性能变差，从而导致摩擦系数变大。
3.7转动性能
3.7.1试验装置
试验装置包括低温小载荷和低温大载荷2种试验装置。
（1）低温小载荷试验装置由加力座、转动销、连杆、固定板、力臂、转动销和导杆组成，可进行垂向与转动双向加载试验。操作方便，安装时间短，对QZ球形支座低温性能影响小。
（2）低温大载荷试验装置由垂向油缸、转动臂、压转油缸和平台组成。操作不便，安装时间长，对QZ球形支座低温性能的影响大，但试验机转动力矩大，适用于大吨位QZ球形支座转动试验。
3.7.2试验方法
试验方法包括低温冷冻和加载2部分。低温冷冻：将低温箱事先降温至-50℃，将QZ球形支座与固定工装组装后在-50℃下放置7天。加载：QZ球形支座达到冷冻时间后取出，立即进行转动试验。通过垂向油缸以250kN/min的速度施加竖向设计载荷至250kN并保持不变。然后利用压转油缸施加载荷，通过力臂形成转动力矩，对QZ球形支座进行转动性能试验，记录QZ球形支座初始转动载荷，计算QZ球形支座转动力矩，其中试验工装转动臂长为800mm。
3.7.3试验结果分析
从表2数据看出，QZ球形支座常温和低温转动力矩分别为1125N·m和1665N·m，这表明随着温度降低，QZ球形支座转动力矩变大。这是由于温度降低，球面滑板硬度变大，硅油脂滑润效果变差，摩擦系数变大，导致转动力矩变大。
4、结果分析
（1）随着温度降低，QZ球形支座摩擦系数和转动力矩变大，其他性能受低温影响不明显。
（2）试验装置和方法能模拟实际工作状况，有效检测QZ球形支座的低温性能。试验达到预期目的，具有一定的推广应用价值。
（3）PG21硅油脂具有良好的抗冷冻性能。