橋梁大噸位支座水平承載力試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

彭立群，林達(dá)文，劉立峰，王 進(jìn)

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

橋梁大噸位支座水平承載力試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

彭立群，林達(dá)文，劉立峰，王 進(jìn)

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

地震水平力是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)及支座破壞的主要原因，目前典型的橋梁支座都具備足夠的橫向承載力。本文應(yīng)實(shí)際需要為此類支座設(shè)計(jì)了一套4 800 kN水平承載力試驗(yàn)裝置，它由豎向加載、水平加載兩部分組成。同時(shí)，總結(jié)出一套合理的試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法，并例舉3種支座水平承載力試驗(yàn)。結(jié)果表明，試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的目的。

橋梁支座 水平承載力 試驗(yàn)裝置

作為橋梁結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，橋梁支座在研發(fā)過程中必須按標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測(cè)［1-3］。有關(guān)橋梁支座的常規(guī)力學(xué)性能檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)已成熟，而大噸位的水平承載力試驗(yàn)一直是該技術(shù)領(lǐng)域的難題。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 17955—2009［4］、歐標(biāo) EN1337-5、澳洲標(biāo)準(zhǔn)《橋梁支座技術(shù)規(guī)范》、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AASHO《高速公路橋梁支座技術(shù)規(guī)范》等都規(guī)定了水平承載力試驗(yàn)項(xiàng)目，而受試驗(yàn)裝備等因素的影響，目前在世界范圍內(nèi)只有美國(guó)加利福尼亞洲橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室可以進(jìn)行橋梁支座大噸位水平承載力試驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)某企業(yè)研制的3種大噸位橋梁支座，需按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行4 800 kN水平承載力試驗(yàn)，若將支座送往國(guó)外進(jìn)行試驗(yàn)，相應(yīng)的時(shí)間和試驗(yàn)成本則太高。為解決這一當(dāng)務(wù)之急，本文作者分析了支座的結(jié)構(gòu)和原理，設(shè)計(jì)了一種大噸位水平承載力試驗(yàn)技術(shù)方案，首次在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了橋梁支座4 800 kN水平承載力試驗(yàn)，給出了工程化應(yīng)用實(shí)例。

1 試驗(yàn)原理

我國(guó)橋梁支座水平承載力試驗(yàn)參照了國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，其中加載方式分滾動(dòng)摩擦式和滑動(dòng)摩擦式兩種。兩種方式的區(qū)別在于采用了不同結(jié)構(gòu)的摩擦副，滾動(dòng)摩擦式是采用滾動(dòng)軸組成的滾動(dòng)裝置消除摩擦力，滑動(dòng)摩擦式是采用PTFE與鏡面不銹鋼對(duì)磨消除摩擦力。本文采用滑動(dòng)摩擦式。

橋梁支座在實(shí)際使用過程中始終會(huì)承受一定的豎向正壓力，主要來自橋梁自重及車輛載重;通常情況下支座不會(huì)承受太大的水平力，而發(fā)生地震時(shí)支座在現(xiàn)有承載基礎(chǔ)上還會(huì)增加一個(gè)水平力，因此這種檢測(cè)方式是檢驗(yàn)橋梁支座綜合性能的重要手段。

具體的試驗(yàn)原理如圖1所示。首先對(duì)支座施加豎向恒定荷載并保持不變，模擬橋面對(duì)支座的載重，然后施加水平荷載，模擬地震時(shí)所產(chǎn)生的水平力。

圖1 滑動(dòng)摩擦式裝置試驗(yàn)原理

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方案比較

根據(jù)試驗(yàn)的具體實(shí)施方式，水平承載力試驗(yàn)分內(nèi)置式和外置式2種，分別如圖2和圖3所示。內(nèi)置式:將垂向與水平油缸放置在同一加載框架內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載性好的優(yōu)點(diǎn)，但支座安裝空間受限制。外置式:將豎向與水平油缸分別放置于兩個(gè)獨(dú)立的框架內(nèi)，具有安裝空間大、滿足大型支座測(cè)試的特點(diǎn)，但需要加工水平框架，試驗(yàn)成本高、安裝復(fù)雜。綜合分析成本與進(jìn)度兩方面因素，本文方案設(shè)計(jì)采用內(nèi)置式。

圖2 內(nèi)置式

圖3 外置式

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)置式水平承載力試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如圖4所示，由豎向加載與水平加載兩部分組成，其中機(jī)架是一個(gè)內(nèi)力平衡的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)?？蓾M足大噸位的豎向與水平加載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

圖4 試驗(yàn)裝置

豎向加載裝置設(shè)計(jì)由滑動(dòng)裝置(抗壓強(qiáng)度為33 MPa、摩擦系數(shù)為0.001)、側(cè)支撐板和墊高座組成，滑動(dòng)裝置又由PTFE、硅油脂、鏡面不銹鋼板組成，滑臺(tái)裝置可承受橋面對(duì)支座的豎向載重，同時(shí)完成水平加載。

水平加載裝置設(shè)計(jì)由5 000 kN油缸、載荷傳感器、支撐座和懸置滑臺(tái)裝置組成。其中傳感器安裝在懸置滑臺(tái)裝置上，在油缸的推動(dòng)下前后移動(dòng)，并在前端設(shè)計(jì)有加力球面，用于調(diào)整試驗(yàn)接觸間隙，實(shí)現(xiàn)對(duì)支座施加水平荷載。

2.3 強(qiáng)度計(jì)算

試驗(yàn)工裝需要有足夠的強(qiáng)度來抵抗大噸位荷載是方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。利用ABAQUS 6.10對(duì)工裝和支座的靜態(tài)特性求解，得出其內(nèi)部的應(yīng)力情況和變形狀態(tài)，通過在PART模塊中實(shí)體建模、在MESH模塊中劃分網(wǎng)格得出了分析模型如圖5所示。其中金屬材料的彈性模量為 2.1 ×105MPa，泊松比為 0.3［5-7］，支座橡膠墊的硬度為 65°(邵氏)，對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置為 C10=0.49，C01=0.14，D1=0.000 1。

圖5 有限元分析模型及網(wǎng)格劃分

試驗(yàn)工裝的強(qiáng)度準(zhǔn)則是指關(guān)鍵承載件危險(xiǎn)截面中的最大應(yīng)力不超過材料屈服強(qiáng)度(σ≤σs)，該試驗(yàn)工裝的主要受力件為弧形塊，其最大水平靜載為4 800 kN，所用材料為45鋼(調(diào)質(zhì)處理，屈服極限σs=360 MPa)。計(jì)算得出:滑臺(tái)裝置的最大應(yīng)力為218 MPa(圖6)，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，安全系數(shù)為1.65，完全滿足強(qiáng)度要求。

圖6 工裝強(qiáng)度計(jì)算(單位:MPa)

支座水平承載力試驗(yàn)判定準(zhǔn)則，除標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)支座鋼件及橡膠件的狀態(tài)外，底盆及活塞的最大應(yīng)力也是重要參數(shù)，分析證明支座在水平加載過程中最大應(yīng)力出現(xiàn)在底盆中上側(cè)處及活塞下端，其最大值為299 MPa(圖7)，小于支座選用材料 Q345B的屈服極限。

圖7 支座應(yīng)力分布(單位:MPa)

3 應(yīng)用研究

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，分別對(duì)固定型、橫向型、縱向型3種支座進(jìn)行水平承載力試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)方法

圖8 試驗(yàn)安裝

預(yù)加載:將支座安裝于試驗(yàn)機(jī)中心位置(圖8)，首先豎向施加50%設(shè)計(jì)荷載，用20%水平荷載預(yù)推，連續(xù)加載3次。正式加載:首先豎向施加50%設(shè)計(jì)荷載，待設(shè)計(jì)水平力達(dá)到90%時(shí)，再將豎向承載力加至設(shè)計(jì)荷載(10 000 kN)，記錄豎向荷載—變形曲線，然后將水平承載力加至設(shè)計(jì)水平承載力的1.2倍(4 800 kN)，記錄水平荷載—變形曲線，保持3 min后卸載。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見圖9、圖10及表1。

圖9 支座豎向荷載—變形曲線

圖10 支座水平荷載—變形曲線

表1 支座水平承載力加載后狀態(tài)

3.3 結(jié)果分析

從圖9得知:3種支座豎向加載滯回曲線在加載區(qū)間應(yīng)變超過2/3時(shí)呈非線性，存在一定的包絡(luò)面積，這是因?yàn)橹ё着璋惭b了橡膠墊，相對(duì)自由狀態(tài)橡膠墊在封閉空間內(nèi)抗壓彈性模量將隨橋梁上部結(jié)構(gòu)載重變大呈非線性增加，以消耗橋梁上部結(jié)構(gòu)的各種荷載和能量，其吸收能量大小與滯回曲線包絡(luò)面積成正比。

從圖10、表1得知:支座水平承載特性曲線呈線性，且水平變形很小，最大值為0.25 mm，卸載后支座能恢復(fù)原有狀態(tài)。這是因?yàn)樗阶冃沃饕侵ё饘偌膹椥宰冃?，這種彈性變形在去除外力后能自動(dòng)恢復(fù)原有形狀。

3種支座水平承載特性與各自曲線斜率成正比，其中固定型支座曲線斜率最大，其相應(yīng)的水平承載性能最好，其次為橫向型和縱向型。

3種支座在完成水平承載力試驗(yàn)后，支座鋼件、橡膠件均恢復(fù)到原有狀態(tài)，無明顯異常變形、破壞現(xiàn)象，說明支座具有較好的水平承載性能。

4 結(jié)束語

1)合理的設(shè)計(jì)方案是完成橋梁支座大噸位水平承載力試驗(yàn)的關(guān)鍵。本文利用理論設(shè)計(jì)、仿真分析、試驗(yàn)驗(yàn)證三者相結(jié)合的方式達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

2)4 800 kN水平承載力試驗(yàn)裝置的成功研制，進(jìn)一步完善了國(guó)內(nèi)橋梁支座試驗(yàn)設(shè)施，為橋梁支座的研發(fā)和試驗(yàn)起到推動(dòng)作用。

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U443．36+1

A

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1003-1995(2014)01-0028-03

2013-03-13;

2013-09-20

彭立群(1983— )，男，湖南永州人，工程師。

(責(zé)任審編 孟慶伶)