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项目的目的和意义及设计原则

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项目的目的和意义及设计原则

发布日期:2016-07-27 作者: 点击:

1  项目的目的和意义及设计原则
随着我国铁路运输的高速化及城市轻轨交通的发展,对桥梁附属设施的设计选型和应用显得尤为重要。高速铁路运营模式要求线路结构与之适应,轨道结构将有显著变化,基础刚性化、钢轨重型化、少维修、高质量是其必然,在保证轨道稳定性前提下,减小基础因气候产生的热胀冷缩现象,延长基础设施使用寿命是当前的研究课题。由于中国特点,铁路桥梁伸缩装置的设计与应用正处在试验和推广阶段。
众所周知,铁路、轻轨等桥梁面板会由于温度、地形等客观条件的变化而产生膨胀或收缩的现象,因此,每两个预定梁长的各相邻桥面板之间要设置一个梁缝,以适应桥梁面板的收缩,并且在梁缝处设置一伸缩装置,达到降低噪音、提高行车速度、防止各种杂物或雨水落下等效果。因此桥梁伸缩装置是桥梁梁端之间的重要连接部件,对桥梁端部伸缩及防水性能起重要作用,其质量和性能将直接影响整座桥梁的耐久性。因此伸缩装置的设计和应用有着重要的意义。
主要设计原则:
(1) 构造上满足铁路线路正常运营需要;
(2) 满足养护维修作业要求;
(3) 为提高结构耐久性提供保证措施;
(4) 从美学角度出发,考虑景观设计;
(5) 在满足使用功能条件下,******限度地降低成本;
(6) 以人为本,简化施工工艺、方便养护维修。
2  几种新型产品结构形式、材料选择及加工方法
2.1  产品结构形式
2.1.1  铝合金型材典型结构形式有两种(见图1)
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2.1.2  橡胶密封带典型结构形式有三种(见图2)
http://www.tranbbs.com/uploadfile/old/200805/20080502192052176.gif
(a)适用于小型伸缩量伸缩装置
(b)适用于中型伸缩量伸缩装置
(c)适用于大型伸缩量伸缩装置和曲线梁
另外,根据特殊桥梁伸缩缝伸缩量大小要求的不同,可以改变铝合金型材和橡胶密封带截面形状(但密封带基本装配形状不变),以适应伸缩量的要求,图1和图2所示为常见的几种铝合金型材和橡胶密封带截面形状。
2.1.3  铝合金伸缩装置分类
根据常用跨度梁需要,按照轨道梁的结构的不同,伸缩装置类型包括有碴轨道及无碴轨道梁伸缩装置两大类,包括伸缩量±15㎜、±30㎜、±50㎜、±80㎜四种型号。以TSSF-X表示,其中TSSF表示铁路桥梁伸缩缝,X表示总伸缩量。安装时应根据现场环境温度等实际情况设置初始伸缩量。
(1)无碴轨道梁伸缩装置
无碴轨道梁伸缩装置直接通过锚固钢筋与桥面保护层钢筋连接,梁端保护层内横向钢筋应与防撞墙及竖墙钢筋连接。在桥面保护层施工后进行伸缩装置的安装,为避免伸缩缝处积水沿伸缩缝流出道桥下,在电缆槽内伸缩装置设置2%横向坡,梁端200~300㎜范围内,伸缩装置与跨中方向桥面保护层进行顺接。无碴轨道梁伸缩装置由铝合金型材、橡胶密封带、连接螺栓和锚筋组成,图3为无碴轨道梁伸缩装置的结构示意图。
http://www.tranbbs.com/uploadfile/old/200805/20080502192052314.gif
(2)有碴轨道梁伸缩装置
由于有碴轨道梁桥面保护层为C40纤维混凝土,制梁时应注意在每孔梁端顶面预埋伸缩装置锚固钢板或角钢,通过在钢板上焊接钢筋的方式与伸缩装置连接钢筋固定。梁端防水层应在锚固钢筋与预埋钢板焊接后进行局部封边处理。保护层内增设纵横向锚固钢筋,锚固钢筋应与挡碴墙及竖墙伸出钢筋绑扎固定。在伸缩装置安装完毕后进行保护层的铺设。伸缩缝加盖钢板后,在挡碴墙内侧高度应与桥面保护层高度一致,以利于大型养护机械的作业;在电缆槽内伸缩装置坡度应与保护层坡度一致。有碴轨道梁伸缩装置主要由铝合金型材、橡胶密封带、连接螺栓、金属盖板、锚筋和梁体预埋件等组成,图4为有碴轨道梁伸缩装置的结构示意图。
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(3)伸缩装置在曲线梁上的应用
根据不同铁路/轻轨线路桥梁直线到曲线的过渡,经常采用在梁缝连接处过渡的方法,因此伸缩装置为适应此项要求,中间橡胶密封带宜采用波浪式或风琴式结构,如图5所示即为波浪式密封带装配图。
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2.1.4  嵌入式铝合金伸缩装置优点
现有公路桥梁用伸缩装置中用于固定于伸缩缝两侧的部分采用截面为“F”形及与“F”水平对称形的两根异型钢材,或者采用截面为“C”形及与“C”水平对称形的两根异型钢材,或者采用截面为“E”及与“E”水平对称形的两根异型钢材,并有一“V”形止水带的两边紧贴“F”的凹槽及与“F”水平对称的凹槽或“C”的凹槽及与“C”水平对称的凹槽。
但上述装置存在的问题是,铁路、轻轨桥梁伸缩装置由于道轨的保护,并不需要承担太大的载荷,采用异型钢材不利于节约成本。另外施工时首先须要将型钢上焊接的锚固筋焊接在预埋钢筋固定型钢,然后安装止水带,但是由于现有型钢的凹槽在两根型钢之间的两侧,安装时,需要将止水带两端分别塞入型钢凹槽内,安装难度很大。不仅如此,“V”止水带在雨雪天气还会存在严重的存水、存雪现象,冬季以后若存水、存雪结冰,会直接影响橡胶密封带的伸缩和伸缩装置的使用寿命。
针对现有技术的不足,设计一种桥梁用铝合金伸缩装置,以降低现有伸缩装置成本,提高伸缩装置耐腐蚀能力,铝合金型材具有表面美观、橡胶密封带安装方便的特点,通过改变橡胶密封带结构解决现有技术中密封带存水、存雪存冰问题,增加密封带伸缩量,并方便安装和维护,提高使用寿命。目前山东龙祥橡塑制品有限公司与中铁咨询桥梁工程设计研究院共同研发,结合山东龙祥橡塑制品有限公司多年汽车密封条产品设计研发的经验,在铝合金型材与橡胶密封带装配口结构设计时,采纳汽车门窗密封条防水原理,大大提高了密封防水效果。
2.2  主要材料选择及加工方法
2.2.1  铝合金型材
伸缩装置中使用的铝合金型材采用热挤压型材,强度不低于6005牌号合金,具体指标应满足GB/T6892-2000《工业用铝及铝合金热挤压型材》标准的要求,其化学成分应符合GB/T3190的规定,铝型材的室温纵向力学性能应符合表1要求,具体指标见表1:
表1 

牌号状态试样部位厚度mm抗拉强度δb,MPa规定非比例伸长应力
δρ0.2, MPa
伸长率
%
不小于
6005T5≤3.22602408
>3.2~25.026024010

2.2.2  橡胶
铝合金伸缩装置中使用的密封带材料为三元乙丙橡胶或氯丁橡胶,采用挤出或模压工艺成型,橡胶的物理性能应满足表2要求:
表2

项     目三元乙丙橡胶氯丁橡胶
硬度IRHD55±555±5
拉伸强度(Mpa)≥14

2.2.2  橡胶
铝合金伸缩装置中使用的密封带材料为三元乙丙橡胶或氯丁橡胶,采用挤出或模压工艺成型,橡胶的物理性能应满足表2要求:
表2

项     目三元乙丙橡胶氯丁橡胶
硬度IRHD55±555±5
拉伸强度(Mpa)≥14≥15
扯断伸长率(%)≥300≥350
脆性温度(℃)≤-60≤-40
恒定压缩******变形(室温×24h)(%)≤20≤20
耐臭氧老化(200pphm,20%伸长,40℃X96h)无龟裂无龟裂
热空气老化试验试验条件(℃×h)70℃×96h70℃×96h
拉伸强度降低率(%)<10<15
扯断伸长率降低率(%)<30<30
硬度变化IRHD0~100~10

两种橡胶材料特点分析
(1) 氯丁橡胶:氯丁橡胶(Chloroprene rubber)是由2—氯—1,3—丁二烯聚合而成的一种高分子弹性体,代号CR。氯丁橡胶是合成橡胶的主要品种之一,作为一种通用型特种橡胶,除具有一般橡胶的良好物性外,还具有耐候、耐燃、耐油、耐化学腐蚀等优异特性,使之在合成橡胶中占有特殊的地位。氯丁橡胶分子结构式为:

特性:
氯丁橡胶由于极性及较高的结晶性,使它具有良好的综合性能和极性橡胶的特点。
(a)较高的力学性能。拉伸强度较大与天然胶相当;长期使用中耐磨性往往优于天然橡胶,其撕裂强度比天然橡胶略差。
(b)优良的耐老化(耐候,耐臭氧、耐热)性能。氯丁橡胶的耐候、耐臭氧性能在通用橡胶中仅次于乙丙橡胶和丁基橡胶,远优于天然橡胶。耐热性优于天然橡胶和丁苯橡胶,能在150℃下短期使用,在90~110℃下使用4个月。使用温度每提高10℃,使用寿命相应降低50%。
(c)优异的阻燃性。氯丁橡胶的阻燃性是通用胶中******的,它具有不自燃的特点,接触火焰可以燃烧,但隔断火焰即自行熄灭。
(d)优良的耐油、耐溶剂性能。
(e)良好的黏合性。因而氯丁橡胶被广泛用作黏合剂。
(f)电绝缘性不好,只能用于电压低于600V的场合,常被用作低压电缆的保护层及低压电线的绝缘层。
(g)较差的低温性能,低温使橡胶失去弹性,甚至发生断裂。******使用温度为—30℃。
(h)贮存稳定性较差。氯丁橡胶经常期贮存后,会出现塑性下降、硬度增大、焦烧时间缩短、硫化速度加快的现象,严重时导致胶料报废。稳定性因品种不同而差别很大,在贮存时应注意安全贮存期。
(2) 三元乙丙橡胶:乙丙橡胶(ethylene propylene rubber)是以乙烯、丙烯为基础单体合成的共聚物。橡胶分子链中依单体单元组成不同有二元乙丙橡胶和三元乙丙橡胶之分。前者为乙烯和丙烯的共聚物,代号为EPM;后者为乙烯、丙烯及少量非共轭二烯烃第三单体的共聚物,代号EPDM,统称为乙丙橡胶(EPR)。所用第三单体非共轭二烯烃有:1,4—己二烯(HD)、双环戊二烯(DCPD)和亚乙基降冰片烯(ENB),由这些第三单体制得的聚合物分别称为1,4—己二烯型三元乙丙橡胶(HD-EPDM)、双环戊二烯型三元乙丙橡胶(DCPD-EPDM)和亚乙基降冰片烯型三元乙丙橡胶(ENB-EPDM)。溶液聚合是目前乙丙橡胶生产中主要采用的方法。
乙丙橡胶是一种介于通用橡胶和特种橡胶之间的合成橡胶。三元乙丙橡胶不仅保持了二元乙丙橡胶的优异特性,且可以用硫黄硫化,因为它引进了不饱和双键。目前各国多以生产三元乙丙橡胶为主。年生产能力仅次于丁苯橡胶、顺丁橡胶和异戊橡胶,居第四位。
双环戊二烯三元乙丙橡胶的分子结构式示为:
亚乙基降冰片烯三元乙丙橡胶的分子结构式为:
1,4—己二烯三元乙丙橡胶的分子结构式可表示为:
特性:
(a)耐老化性能优异。在现有通用型橡胶中是******的。乙丙橡胶的耐臭氧性能特别好,被誉为“无龟裂”橡胶。在耐臭氧方面,以DCPD—EPDM******,HD—EPDM较差。
乙丙橡胶耐天候性能也非常好,能长期在阳光、潮湿、寒冷的自然环境中使用。在耐候性方面EPM优于DCPD—DPDM,更优于ENB—EPDM。
乙丙橡胶的耐热老化性能优异。在130℃下,一般可长期使用,间歇使用可耐200℃高温。在耐热性方面二元乙丙橡胶优于三元乙丙橡胶,HD—EPDM优于ENB—EPDM和DCPD—EPDM。
(b)******的耐化学药品性能。乙丙橡胶对各种极性化学药品和酸碱(浓强酸除外)的抗耐性好,长时间接触后性能变化不大。
(c)卓越的耐水、耐过热水及耐水蒸气性。乙丙橡胶具有疏水性,所以具有杰出的耐水、耐过热水、耐水蒸气性能。
在橡胶材料中,不同橡胶耐水蒸气性能对比如下:
EPDM            IIR         SBR        NR         CR
***优              优           良           良           差
不同橡胶耐过热水性能对比如下:
EPDM            IIR         NBR              MVQ
***优              优           良         差
(d)优异的电绝缘性能。乙丙橡胶的绝缘性能和耐电晕性能超过丁基橡胶。又因吸水性小,所以浸水后的抗电性能也很好。
(e)低密度和高填充特性。乙丙橡胶的密度是所有橡胶中******的,加之易容纳补强剂、软化剂,可进行高填充配合,可降低制品成本。
(f)乙丙橡胶具有良好的弹性和抗压缩变形性。低温状态下的弹性保持性好,—57℃才变硬,到—77℃变脆。
(g)不耐油。
(h)硫化速度慢,比一般合成橡胶约慢3~4倍,二元乙丙橡胶和低饱和度的双环戊二烯三元乙丙橡胶硫化速度***慢。与不饱和度高的橡胶不易掺和(共混),共硫化性能差,因而限制了它的用途。
(i)自黏性和互黏性都很差,给加工工艺带来困难[1]。
通过以上分析,考虑产品耐老化等性能,铝合金伸缩装置中密封带材料选择三元乙丙橡胶优于氯丁橡胶。
产品技术指标
铝合金伸缩装置暂无国家标准,参考铁道部科学技术司发布的《客运专线桥梁伸缩装置暂行技术条件》(科技基【2005】101号文件)标准,结合生产厂家企业标准,铝合金伸缩装置性能符合如下要求:
伸缩装置的构造应能满足其两侧梁体必要的顺桥向、横桥向和竖向位移以及转动的需要。
桥梁伸缩装置的铝合金型材与橡胶密封带之间的连接应具有一定的夹持性能,保证在拉伸1.5倍伸缩量条件下,持荷15分钟,夹持部位不脱离。
整体性能要求:伸缩装置整体性能参照中华人民共和国交通行业标准《公路桥梁伸缩装置》(JT/T327-2004)的标准中相关规定而制定,见表3。
表3

序号项目单缝式铝合金伸缩装置
1防水性能注满水24h无渗漏

 

1防水性能注满水24h无渗漏

伸缩装置在铁路的应用及发展趋势
随着铁路提速及人口密集的大城市高架铁路车站和高架桥的增多,在梁缝处设置一伸缩装置,能达到降低噪音、提高行车速度、防止各种杂物或雨水落下等效果,并且提高了桥梁的耐久性和美观程度。
在社会经济迅猛发展的时代,地铁和高速铁路越来越多,目前新建铁路北京至天津城际
轨道交通工程桥梁上正在应用CXF-120和CXF-200型铝合金伸缩缝,虽然产品结构不同,但应用目的一样。现在通桥(2006)8388客运专线铝合金伸缩缝产品(也就是本文涉及的产品)已被设计并将应用到合宁线、合武线、武广客运专线、郑西客运专线、甬台温客运专线、温福客运专线、兰渝铁路、玉蒙铁路、襄渝铁路、临策铁路、两伊铁路、包神铁路等多条线路的桥梁上。相信新型伸缩装置拥有较好的应用前景和重要的意义。
链接:
目前国内生产铝合金型材规模比较大的几个厂家有西南铝业集团、东北轻合金有限责任公司(原东北轻合金加工厂)和山东龙口南山铝业集团。其实力在国内铝业加工厂中位于前列。下面是三个厂家的简单介绍:
西南铝业(集团)有限责任公司:2000年12月18日,由三家公司共同出资,将西南铝加工厂改制成西南铝业(集团)有限责任公司,隶属于中国铝业公司。经过40年的建设和发展,西南铝已成为中国生产规模******、技术装备***先进、品种规格***齐全的综合性特大型铝业加工企业,中国航空航天铝材保障基地、中国高精铝板带箔生产基地、中国铝材出口加工基地。西南铝荟萃了中国铝加工业***先进的技术装备,拥有亚洲******的3万吨模锻水压机、1.25万吨卧式挤压机,中国******轧制宽度的双机架2800毫米热轧机和2800毫米冷轧机,具有国际先进水平的1850毫米高速冷轧机、1700毫米铝箔轧机、8000吨卧式挤压机、1600毫米彩色涂层机组,目前国内吨位******、技术***先进的6000吨拉伸矫直机,国内******条具有世界先进水平的“1+4”热连轧生产线及建筑型材、表面氧化处理生产线等设备。西南铝以其独特的品牌战略,有计划的市场推广,建立起高效的营销网络,并将产品经营和资产经营两者结合,“统筹经营”,产销量及出口创汇连续多年居全国同行业******,截止2004年底,西南铝已为各行业提供各类铝材200多万吨,2004年出口铝材2.7万吨。
东北轻合金有限责任公司:东北轻合金有限责任公司(原东北轻合金加工厂)简称东轻公司,是作为"一五"期间原苏联援建的156项重点工程中的两项建设发展起来的新中国******个铝镁合金加工企业。1952筹备建厂,1956年11月开工生产。于1998年6月改制组建为国有独资公司。拥有各类设备6291台(套),其中部分设备如预拉伸机、热轧机等为亚洲地区和国内少有的大型铝加工设备。东轻厂自开工生产以来,为我国国防工业和国民经济各部门的发展,为我国铝加工行业的崛起和发展做出过重大贡献。国产******架飞机、******座原子能反应堆、******枚导弹、******颗人造卫星、原子弹、氢弹、******艘远洋巨轮、核潜艇以及运载火箭上所使用的全部轻金属材料,"神舟"号载人飞船上的重要轻金属部件等等都是由东轻公司提供的。截止2002年底,东轻公司累计向国民经济各部门提供了164.6万吨铝、镁加工材,上缴利税18亿元。到目前为止,公司始终承担着60%以上的国家重点国防军工铝镁材料研制任务,在国民经济建设和同行业中战略地位及作用不可替代。1992年东轻公司被认定为国有特大型企业,1995年被国务院发展研究中心认定为"中国******的铝镁合金加工基地",被盛誉为"祖国的银色支柱"。
南山铝材总厂:南山铝材总厂建于1992年,现拥有先进挤压机生产线42条,年产100多个系列,6000多个规格的建筑型材及工业型材,年产能11万吨,是我国***具规模竞争力的铝型材生产加工基地,是国家建设部铝合金建筑型材定点生产厂家。重点开发了造船、电力、城轨
地铁、汽车用材、货车车体、机械电子、电器制造、集装箱、泵体电机、冷冻板材、灯管灯壳等40多个领域1760多个品种、型号的产品以及地铁料、铁路货车车体料、城市特快列车车厢料、法国庞巴迪高速列车料、奥迪A6车体料等品种开发和研究。民用建筑铝材包括领先世界潮流的浇注隔热型材、穿条隔热型材以及各种规格、多种颜色的阳极氧化型材、电泳型材、粉末喷涂型材、氟碳喷涂型材和木纹转印型材。


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