厚壁蝶型彈簧用于基樁高應(yīng)變測試的初步研究

徐長琦

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州510500）

0 引言

高應(yīng)變動力試樁法，是指所有能使樁土間產(chǎn)生永久變形（或較大動位移）的動力檢測基樁承載力的方法［1］，該方法適用于檢測樁的豎向抗壓承載力和樁身完整性，相對于單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)而言，該方法費(fèi)用較低、耗時較短、對場地要求較低，因此該方法在珠三角地區(qū)應(yīng)用廣泛。

高應(yīng)變法結(jié)果對測試過程中傳感器采集的力和速度曲線依賴性較高，《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范：JGJ 106—2014》及《建筑地基基礎(chǔ)檢測規(guī)范（廣東省標(biāo)準(zhǔn)）：DBJ/T 15-60—2019》規(guī)定傳感器安裝處混凝土開裂或出現(xiàn)嚴(yán)重塑性變形導(dǎo)致力曲線明顯未歸零時不得提供承載力檢測結(jié)果，避免了因混凝土非線性造成的力信號失真?；炷潦軌簳r，理論上講是對實(shí)測力值的放大，是不安全的，因此研究了一種通過將蝶型彈簧放置在樁頂以替代打擊作用，從而進(jìn)行力值測試的方案。

蝶型彈簧具有承載力高、剛度適宜、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可提供良好的豎向隔震效果，且碟片間存在錐面摩擦及邊緣摩擦，往復(fù)荷載作用下可提供一定的阻尼耗散能量，因此在汽車、機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，亦常用于建筑結(jié)構(gòu)的豎向隔震裝置。

1 高應(yīng)變測試力信號失真介紹

高應(yīng)變測試通常采用環(huán)型應(yīng)變式力傳感器來檢測高應(yīng)變動力試樁中的樁身截面受力，傳感器通過打入混凝土的膨脹螺栓緊貼著樁身進(jìn)行安裝，測量的是樁身77 mm（傳感器標(biāo)距）段的應(yīng)變值，換算成力還要乘以樁身材料的彈性模量E，因此力不是它的直接測試量，而需通過下式進(jìn)行換算：

由式⑴可知力值的大小與應(yīng)變測量結(jié)果呈線性關(guān)系，因此力值測試是否準(zhǔn)確，較高程度上依賴于傳感器安裝處混凝土的應(yīng)變測試結(jié)果。

1.1 順德某工程力信號失真案例

佛山市順德區(qū)某人行天橋建設(shè)工程樁徑為1.2 m，樁長31.5 m，入微風(fēng)化巖，承載力特征值為2 600 kN，本次測試選擇8 t重錘，落距1.2 m左右，采用歐美大地PDA（8G）高應(yīng)變分析儀進(jìn)行測試，傳感器均通過儀器系統(tǒng)自帶的校準(zhǔn)方法進(jìn)行校準(zhǔn)，最終所得實(shí)測信號如圖1所示，力值信號與速度信號嚴(yán)重不匹配，最大力值甚至達(dá)到16 596 kN，遠(yuǎn)超過8 t錘所能在1.2 m 的落距下產(chǎn)生的最大沖擊力。通過觀察傳感器安裝處混凝土外露面，發(fā)現(xiàn)輕微豎向裂縫，由此可知傳感器安裝處混凝土產(chǎn)生的嚴(yán)重塑性變形造成了力值信號失真。

1.2 混凝土塑性變形特性

圖1 順德某工程高應(yīng)變實(shí)測信號Fig.1 Measured Signal of High Strain of a Project in Shunde

混凝土結(jié)構(gòu)因其所遭受荷載性質(zhì)的變化，結(jié)構(gòu)響應(yīng)存在很大差異，混凝土屬于速率敏感性材料，應(yīng)變率的變化會使結(jié)構(gòu)的極限荷載、變形能力及破壞形式等發(fā)生重大變化，因此在研究混凝土結(jié)構(gòu)的作用荷載時，有必要考慮荷載引起的應(yīng)變率變化對荷載作用效果的影響［2］。

叢昕彧［3］通過對堿激發(fā)混凝土及其受彎構(gòu)件靜力與抗沖擊性能研究發(fā)現(xiàn)，混凝土單點(diǎn)靜力加載試驗(yàn)梁的破壞發(fā)展過程可被劃分為3個階段：線性發(fā)展階段、強(qiáng)化階段、破壞階段。并借助重力式落錘沖擊系統(tǒng)對混凝土落錘進(jìn)行試驗(yàn)（見圖2），試驗(yàn)混凝土梁在第1次落錘沖擊下均產(chǎn)生少量細(xì)小裂縫，第2次沖擊后，試驗(yàn)梁的裂縫數(shù)量增多，且緣由裂縫寬度增大，試驗(yàn)梁上表面混凝土在第2 次沖擊后出現(xiàn)水平裂縫甚至碎裂。這一現(xiàn)象與高應(yīng)變檢測過程中混凝土樁帽開裂甚至破碎的現(xiàn)象一致（見圖3、圖4）。由此可知，由于混凝土非線性特征的存在，導(dǎo)致高應(yīng)變檢測過程中力值的測試存在較大的誤差。謝和平等人［4］完成了應(yīng)變率由10-5/s ～102/s 8個數(shù)量級范圍內(nèi)的混凝土受壓試驗(yàn)，當(dāng)應(yīng)變超過一定數(shù)值時，峰值應(yīng)力會出現(xiàn)明顯降低的現(xiàn)象。

圖2 落錘試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Loading Device of Drop Weight Test

圖3 某高應(yīng)變工地樁帽豎向裂縫Fig.3 Vertical Crack of Pile in a High Strain Construction Site

圖4 某高應(yīng)變工地樁帽破碎Fig.4 Breakage of Pile in a High Strain Construction Site

2 碟簧國家標(biāo)準(zhǔn)公式計算

本次試驗(yàn)研究選擇大尺寸非常用厚壁碟簧（參照文獻(xiàn)［5］表B.1 續(xù)），蝶型彈簧具有承載力高、剛度適宜、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)蝶型彈簧參數(shù)如下：外徑為500 mm，內(nèi)徑為253 mm，厚度為27 mm，最大變形量為8.25 mm，自由高度38 mm，彈性模量E=206 000 N/mm2，泊松比μ=0.3。

文獻(xiàn)［5］規(guī)定單片碟簧承受的負(fù)荷F 與位移的關(guān)系可以表示成：

因此將文獻(xiàn)［5］附錄C 中C.1～C.15公式采用Matlab軟件編輯成如圖5所示M 文件，該程序文件在本次使用前已通過文獻(xiàn)［5］中圖C.2 中的計算和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比驗(yàn)算，計算結(jié)果可靠。

將試驗(yàn)蝶型彈簧參數(shù)輸入到該計算程序中易得：單片碟簧的負(fù)荷F=1.065 4×106N，大于文獻(xiàn)［5］表B.1續(xù)中給定的荷載F=875 297 N（下文計算采用該給定的荷載），可知文獻(xiàn)［5］給定的荷載考慮了一定的安全系數(shù)，偏安全。

圖5 碟簧負(fù)荷計算程序Fig.5 Calculation Program of Disc Spring Load

3 有限元分析計算

3.1 模型建立

采用ABAQUS 軟件進(jìn)行分析計算，建立碟簧、上壓板、下承臺板的分析模型，各部件示意圖如圖6、圖7所示，本次計算分析均采用毫米制單位：毫米（mm）、噸（ton）、牛（N）、秒（s）、兆帕（MPa）。

圖6 部件示意圖Fig.6 Component Diagram

圖7 部件組裝及網(wǎng)格劃分示意圖Fig.7 Schematic of Component Assembly and Meshing

3.2 外荷載添加

在上壓板的中心位置分級施加豎向集中荷載，荷載分級為5級，加載情況如表1所示。

3.3 相互作用關(guān)系

不同約束條件對計算結(jié)果影響較大，為此合理選擇相互作用關(guān)系類別較為重要?？紤]到單片碟簧在試驗(yàn)機(jī)上加載的過程中上、下端的壓板材質(zhì)一致，因此將碟簧頂部、底部分別與上、下端板的約束條件設(shè)置相同。本文經(jīng)過多次試算，考慮碟簧的變形特征，將碟簧底部與下承臺板頂面設(shè)置接觸面，該接觸面切向?qū)傩裕═angential Behavior）為罰函數(shù)摩擦類別（Penalty），摩擦系數(shù)為0.9，允許彈性滑動；法向?qū)傩裕∟ormal Behavior）為硬接觸（“Hard”contact）［6-7］。

表1 外荷載分級加載Tab.1 External Load Classification

3.4 邊界條件

僅限制下承臺板的底面的豎向位移。

3.5 材料彈塑性

按照研究學(xué)者做的60Si2MnA 鋼拉伸性能試驗(yàn)研究［8-9］，材料應(yīng)力在2 000 MPa范圍內(nèi)，可不考慮塑性變形。經(jīng)過初步試算，碟簧在本次荷載試驗(yàn)中的最大主應(yīng)力在1 643 MPa 左右，見圖8?的最大值和圖9，可知，碟簧在本次試驗(yàn)負(fù)荷下材料均處于彈性變形范圍內(nèi)，因此不需要考慮塑性變形。

4 計算結(jié)果

4.1 豎向變形U3（見圖10、表2）

4.2 OM點(diǎn)計算應(yīng)力（見圖8、圖11、圖12）

由圖10 可知，在外荷載F=875 297 N 作用下，碟簧的豎向變形量僅為10.36 mm左右，可見碟簧的剛度較大，能夠承受較大的荷載，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在碟簧底部，達(dá)到1 643 MPa左右（見圖9），OM點(diǎn)的最大應(yīng)力為239.7 MPa左右，仍處于塑性變形范圍內(nèi)。

表2 外荷載分級加載Tab.2 External Load Classification

圖8 荷載作用結(jié)束時刻碟簧的應(yīng)力云圖Fig.8 Stress Nephogram of Disc Spring at the End of Load

圖9 荷載作用下碟簧內(nèi)緣上、中、下的最值主應(yīng)力時程曲線（2 123單元即為碟簧規(guī)程中OM點(diǎn)所在單元）Fig.9 Time History Curve of Maximum Principal Stress at Upper，Middle and Lower Inner Edge of Disc Spring under Load（Unit 2 123 is the Unit of OM Point in Disc Spring Specification）

圖10 不同時刻碟簧豎向變形云圖（荷載作用時刻依次為：0 s、0.218 75 s、0.886 7 s、1 s）Fig.10 Cloud Chart of Vertical Deformation of Disc Spring at Different Times（the Loading Time is 0 s，0.218 75 s，0.886 7 s and 1 s Respectively）

5 結(jié)論

本文對厚壁蝶型彈簧進(jìn)行了受力分析，通過分析可知，厚壁蝶型彈簧剛度較大，能夠承受較大的荷載。同時由于60Si2MnA 鋼材料力學(xué)性能良好，在受力過程中始終保持在彈性變形范圍內(nèi)，無塑性變形發(fā)生，變形可恢復(fù)。因此選取厚壁蝶型彈簧放置于樁頂作為高應(yīng)變替打器，通過測試蝶型彈簧的變形來計算沖擊碰撞過程中的應(yīng)力具備可行性，該方法可以有效避免傳統(tǒng)高應(yīng)變測試過程中由于混凝土開裂或出現(xiàn)嚴(yán)重塑性變形導(dǎo)致力信號失真的情況，將對高應(yīng)變測試技術(shù)的完善作出有價值貢獻(xiàn)。

圖11 荷載作用結(jié)束時刻碟簧水平方向應(yīng)力云圖Fig.11 Horizontal Stress Nephogram of Disc Spring at the End of Load

圖12 荷載作用結(jié)束時刻碟簧的應(yīng)力云圖Fig.12 Stress Nephogram of Disc Spring at the End of Load