輕軌U形梁支座靜載及疲勞特性研究

趙 虎,莊 嚴(yán)，嚴(yán) 猛，鄭小剛

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

輕軌交通是目前我國(guó)一種較為新穎的軌道交通形式,具有編組靈活,運(yùn)力可觀,運(yùn)行速度快及地形跨越能力強(qiáng)等特點(diǎn)。隨著我國(guó)城市公共交通建設(shè)的深入發(fā)展,輕軌這種交通形式正得到社會(huì)越來(lái)越多的關(guān)注和學(xué)者們?cè)絹?lái)越廣泛和深入的探討。而近年來(lái)世界各地重特大地震災(zāi)害頻發(fā),這促使人們對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)提出了更高的抗震隔震要求。在橋梁結(jié)構(gòu)上采用具有抗震隔震效果的抗震支座,可以減少整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的剛度,延長(zhǎng)振動(dòng)周期,從而可以最大限度地避開(kāi)地震卓越周期處的強(qiáng)烈地面震動(dòng)；同時(shí)支座發(fā)生較大的變形,耗散地震作用輸入結(jié)構(gòu)的能量,使得結(jié)構(gòu)安全得到保證[1-6]。而且采用抗震支座在設(shè)計(jì)和施工上簡(jiǎn)便易行。鑒于支座的靜載特性及疲勞特性對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能及長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)耐久性能的突出影響[7-10],針對(duì)重慶輕軌軌道交通一號(hào)線工程中梁山以西高架區(qū)間采用的標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30 m的單線小U梁結(jié)構(gòu)(為后張法預(yù)應(yīng)力混凝土U形簡(jiǎn)支梁)所采用的150 t抗震盆式橡膠支座,為檢驗(yàn)其疲勞性能和疲勞荷載下的靜載性能,對(duì)該型支座進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)以研究其相關(guān)特性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

U形梁固定支座型號(hào)為專(zhuān)橋(2009)8185-QKPZ-I-1500-1500-GD-0.1g,縱向活動(dòng)支座型號(hào)為專(zhuān)橋(2009)8185-QKPZ-I-1500-1500-ZX-0.1g。

通過(guò)對(duì)歷經(jīng)不同疲勞加載循環(huán)次數(shù)后的支座的靜力性能試驗(yàn),測(cè)試縱向活動(dòng)支座豎向壓縮變形、盆環(huán)徑向變形及支座摩擦系數(shù)等性能參數(shù),并分析其隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。

支座靜力性能測(cè)試在不同的疲勞循環(huán)次數(shù)后進(jìn)行,分別為：疲勞試驗(yàn)前即0次和疲勞試驗(yàn)后1萬(wàn)次、2萬(wàn)次、5萬(wàn)次、10萬(wàn)次、20萬(wàn)次、50萬(wàn)次。支座靜力性能測(cè)試方式是：各疲勞加載循環(huán)結(jié)束后,將支座從疲勞試驗(yàn)臺(tái)座上取下,移至恒溫室支座試驗(yàn)專(zhuān)用臺(tái)座,待其溫度穩(wěn)定至符合試驗(yàn)環(huán)境溫度等條件時(shí),對(duì)支座進(jìn)行靜載試驗(yàn)測(cè)試,檢測(cè)支座豎向壓縮變形、盆環(huán)徑向變形以及縱向活動(dòng)支座的摩擦系數(shù)等性能參數(shù)。

1.1 靜載試驗(yàn)加載設(shè)計(jì)

根據(jù)U形梁支座的最不利受力狀況,按照設(shè)計(jì)要求確定其試驗(yàn)荷載。本支座設(shè)計(jì)靜力荷載為1 500 kN,實(shí)際使用荷載包括梁體自重等,靜力水平為1 032.1 kN,靜荷載構(gòu)成如表1所示。

表1 靜載試驗(yàn)荷載 kN

根據(jù)試驗(yàn)支座規(guī)格,其設(shè)計(jì)靜力荷載為1 500 kN,依據(jù)《鐵路橋梁盆式橡膠支座》(TB/T2331—2004),靜載試驗(yàn)荷載取PG=1.5×1 500=2 250 kN。

支座靜載試驗(yàn)加載分級(jí)為0、75、225、450、675、900、1 125、1 350、1 500、1 800、2 025、2 250、75、0 kN；重復(fù)3次。

圖1 疲勞加載系統(tǒng)布置(單位：cm)

1.2 疲勞試驗(yàn)加載設(shè)計(jì)

(1)豎向疲勞荷載

根據(jù)U形梁支座的受力特性分析,結(jié)合表1中統(tǒng)計(jì)結(jié)果,分別確定疲勞荷載上下限。

①疲勞荷載下限

疲勞荷載下限即支座最小荷載,也即是恒載,其由表1可直接得到：為梁體自重、軌道臺(tái)重及其他二期恒載之和,總計(jì)為702.5 kN；

②疲勞荷載上限

疲勞荷載上限為在恒載基礎(chǔ)上疊加可變疲勞活荷載。根據(jù)設(shè)計(jì),疲勞標(biāo)準(zhǔn)活載軸重為116 kN,而活載軸重設(shè)計(jì)值為140 kN,因此取疲勞標(biāo)準(zhǔn)軸重值為設(shè)計(jì)值的116/140=0.828倍；考慮沖擊動(dòng)力放大系數(shù)1.163。由此得到疲勞荷載幅值為329.5×82.8%=273.0 kN,疲勞荷載上限值為702.5+273.0=975.5 kN。

各種荷載構(gòu)成見(jiàn)表2。

表2 單個(gè)支座承受的計(jì)算豎向疲勞荷載 kN

(2)縱向水平位移

在活動(dòng)支座疲勞試驗(yàn)中,活動(dòng)支座考慮水平活動(dòng)循環(huán)疲勞作用。

在疲勞荷載作用下,計(jì)算得到跨徑30 m U形梁活動(dòng)支座縱向最大位移為1.6 mm。考慮支座間隙等因素的影響,取活動(dòng)支座縱向最大位移量為±3 mm,即在疲勞荷載作用下,支座上、下擺中心最大相對(duì)偏移量為±3 mm。

(3)加載頻率為2 Hz。

1.3 疲勞試驗(yàn)加載裝置

疲勞加載系統(tǒng)包括混凝土臺(tái)座、加載梁、地錨、2套MTS液壓伺服加載作動(dòng)器等幾個(gè)部分組成,其中,液壓伺服作動(dòng)器用以分別對(duì)支座施加豎向荷載與水平荷載。

疲勞加載系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1。由于液壓伺服作動(dòng)器和試驗(yàn)場(chǎng)地受限,豎向疲勞荷載的大部分荷載通過(guò)預(yù)應(yīng)力鋼筋施加豎向錨固力來(lái)實(shí)現(xiàn),豎向疲勞荷載幅值由MTS作動(dòng)器施加。

試驗(yàn)所采用的MTS作動(dòng)器疲勞加載能力上限值為500 kN,對(duì)于豎向荷載最大值超過(guò)1 000 kN的支座而言,不能實(shí)現(xiàn)直接加載,需要進(jìn)行力的直接二次轉(zhuǎn)換。

考慮實(shí)際情況取作動(dòng)器疲勞加載上限值為300 kN,按照?qǐng)龅貤l件設(shè)計(jì)的分載結(jié)構(gòu),該荷載分載到試驗(yàn)支座上的豎向作用力為300×282/295=286.8 kN；試驗(yàn)支座所承受的豎向疲勞荷載上限值為975.5 kN,下限值為702.5 kN,由此得到所需MTS施加的豎向作動(dòng)力下限值為[702.5-(975.5-286.8)]×295/282=14.4 kN；而預(yù)應(yīng)力鋼筋所需施加豎向錨固力為(975.5-286.8)×295/204=996 kN。

根據(jù)各個(gè)構(gòu)件幾何尺寸大小和變形剛度限制,設(shè)計(jì)加工如圖1所示疲勞加載系統(tǒng)。實(shí)際疲勞加載系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

圖2 疲勞加載系統(tǒng)照片

1.4 靜載試驗(yàn)加載裝置

在靜載及疲勞試驗(yàn)前,采用游標(biāo)卡尺對(duì)支座關(guān)鍵部位進(jìn)行尺寸測(cè)量；在各級(jí)靜載試驗(yàn)中,采用YJW-5000微機(jī)控制電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)對(duì)試驗(yàn)支座進(jìn)行測(cè)試。詳見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 YJW-5000微機(jī)控制電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)

圖4 靜載加載控制裝置照片

1.5 試驗(yàn)流程

疲勞加載及靜載試驗(yàn)測(cè)試流程詳見(jiàn)圖5。

圖5 疲勞加載及測(cè)試流程

2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 縱向活動(dòng)支座豎向壓縮變形

在50萬(wàn)次疲勞循環(huán)加載過(guò)程中,縱向活動(dòng)支座在靜載試驗(yàn)中的豎向壓縮變形值見(jiàn)表3,其發(fā)展變化規(guī)律見(jiàn)圖6。

表3 縱向活動(dòng)支座豎向壓縮變形

圖6 縱向活動(dòng)支座豎向變形隨疲勞次數(shù)發(fā)展規(guī)律

由表3和圖6可知：縱向活動(dòng)支座豎向壓縮變形值為0.714～0.655 mm,縱向活動(dòng)支座豎向壓縮變形值與支座高度的比值為0.489%～0.448%,并隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小同時(shí)趨于穩(wěn)定；縱向活動(dòng)支座豎向壓縮變形值與支座高度的比值小于2%,滿(mǎn)足《鐵路橋梁盆式橡膠支座》(TB/T 2331—2004)規(guī)定。

2.2 縱向活動(dòng)支座盆環(huán)徑向變形

在50萬(wàn)次疲勞循環(huán)加載過(guò)程中,縱向活動(dòng)支座在靜載試驗(yàn)中的盆環(huán)徑向變形值見(jiàn)表4,其發(fā)展變化規(guī)律見(jiàn)圖7。

由表4和圖7可知：縱向活動(dòng)支座盆環(huán)徑向變形值在0.00～0.06 mm,與盆環(huán)外徑的比值為0.00～0.19‰,其值與疲勞循環(huán)次數(shù)無(wú)明顯關(guān)聯(lián)；但有隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而漸趨于穩(wěn)定的總體態(tài)勢(shì)。縱向活動(dòng)支座盆環(huán)徑向變形值與盆環(huán)外徑的比值小于0.5‰,滿(mǎn)足《鐵路橋梁盆式橡膠支座》(TB/T2331—2004)規(guī)定。

表4 縱向活動(dòng)支座盆環(huán)徑向變形

圖7 縱向活動(dòng)支座盆環(huán)徑向變形隨疲勞次數(shù)發(fā)展規(guī)律

2.3 縱向活動(dòng)支座摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果

在50萬(wàn)次疲勞循環(huán)加載過(guò)程中,縱向活動(dòng)支座在靜載試驗(yàn)中的摩擦系數(shù)值見(jiàn)表5,其發(fā)展變化規(guī)律見(jiàn)圖8。

表5 縱向活動(dòng)支座摩擦系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖8 縱向活動(dòng)支座摩擦系數(shù)隨疲勞次數(shù)變化規(guī)律

由表5和圖8可知：縱向活動(dòng)支座摩擦系數(shù)在0.004～0.006,隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加,縱向活動(dòng)支座摩擦系數(shù)逐漸增大,并隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加趨于穩(wěn)定；縱向活動(dòng)支座摩擦系數(shù)小于常溫下縱向活動(dòng)支座摩擦系數(shù)的限定值0.03,滿(mǎn)足《鐵路橋梁盆式橡膠支座》(TB/T 2331—2004)規(guī)定。

2.4 縱向活動(dòng)支座動(dòng)荷載加載過(guò)程溫度及異響情況

在50萬(wàn)次疲勞循環(huán)加載過(guò)程中,縱向活動(dòng)支座各部件在加載試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的溫度見(jiàn)表6,其發(fā)展變化規(guī)律見(jiàn)圖9。

表6 縱向活動(dòng)支座各加載階段的溫度及異響

圖9 縱向活動(dòng)支座溫度隨加載次數(shù)增加的變化規(guī)律

由表6和圖9可知：疲勞試驗(yàn)過(guò)程中支座沒(méi)有出現(xiàn)異響情況；隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加,上支撐板、橡膠承壓板、下支撐板在加載結(jié)束時(shí)的溫度都逐漸增加,并趨于穩(wěn)定?？v向活動(dòng)支座各部件溫度明顯高于外界溫度,上支撐板的溫度高于橡膠承壓板和下支撐板。

2.5 縱向活動(dòng)支座豎向剛度測(cè)試結(jié)果

在50萬(wàn)次疲勞循環(huán)加載過(guò)程中,縱向活動(dòng)支座豎向剛度測(cè)試值詳見(jiàn)表7,其隨疲勞循環(huán)次數(shù)的發(fā)展變化規(guī)律見(jiàn)圖10。

表7 縱向活動(dòng)支座各加載階段豎向剛度測(cè)試結(jié)果

圖10 縱向活動(dòng)支座豎向剛度隨加載次數(shù)增加的變化規(guī)律

由表7和圖10可知：縱向活動(dòng)支座的豎向剛度隨著疲勞循環(huán)次數(shù)增加到10萬(wàn)次的水平附近出現(xiàn)了小幅的強(qiáng)化；當(dāng)疲勞循環(huán)次數(shù)超過(guò)10萬(wàn)次后,支座的豎向剛度趨于穩(wěn)定,從20萬(wàn)次到50萬(wàn)次豎向剛度下降幅值約為2.5%,可以預(yù)見(jiàn)該型支座在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中豎向剛度是十分穩(wěn)定的。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)U形梁縱向活動(dòng)支座50萬(wàn)次疲勞試驗(yàn),得到以下結(jié)論。

(1)支座在試驗(yàn)過(guò)程中豎向壓縮變形、盆環(huán)徑向變形、摩擦系數(shù)等各項(xiàng)性能參數(shù)均滿(mǎn)足要求。試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)各部分溫度未見(jiàn)異常升高、無(wú)異常噪聲,該套試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)安全可靠。

(2)從試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以看出,該型支座具有良好的疲勞特性,力學(xué)特性穩(wěn)定,豎向剛度無(wú)明顯下降。經(jīng)過(guò)50萬(wàn)次的疲勞加載循環(huán)后,表面無(wú)明顯裂紋,各項(xiàng)靜載特征參數(shù)及疲勞特征參數(shù)符合相關(guān)規(guī)范要求。

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