橋梁速度鎖定器性能試驗方案設計及應用

潘鋒 彭立群 林達文 韓鵬飛 劉立峰

1.中國合格評定國家認可中心，北京 100062；2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007；3.國家軌道交通高分子材料及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（湖南），湖南 株洲 412007

在橋梁連續(xù)梁中采用速度鎖定器（lock?up device，LUD）可使縱向地震力由多個連續(xù)梁主墩共同承受，從而減小主墩體積。LUD作為橋梁結(jié)構(gòu)中重要的部件，其性能不僅影響橋梁的安全性，而且會影響橋梁的隔震性能。隨著“一帶一路”倡議的實施，LUD開始應用于國外橋梁建設。由于國內(nèi)外測試標準不同，因此有必要對LUD進行試驗研究。

LUD在使用前必須對其力學性能進行檢測，尤其是模擬動態(tài)和超載性能。目前對LUD的研究大都局限于理論計算和仿真分析，具體且系統(tǒng)的試驗研究鮮有涉及。本文以國內(nèi)一企業(yè)送檢的一種LUD為研究對象，設計一種新型的試驗方案對LUD性能進行研究，為改善橋梁結(jié)構(gòu)的安全性提供參考。

1 速度鎖定器

由于LUD（圖1）是能量傳遞裝置，不是耗能裝置，因此LUD在慢速工作時速度鎖定器閥門開啟，只產(chǎn)生很小的作用力。達到設計鎖定速度時，閥門迅速關閉，實現(xiàn)鎖定［1］。

圖1 LUD結(jié)構(gòu)

LUD安裝方式分為鎖定支座和直接安裝（圖2），其中鎖定支座采用2個LUD安裝在普通單向滑動型支座兩側(cè)，運動方式是將活塞桿固定，缸體前后運動，實現(xiàn)單向滑動和固定支座的功能轉(zhuǎn)換。直接安裝是將LUD成組安裝于橋梁的橋墩和梁體之間，是在鎖定支座的基礎上增加連接套、絲桿、消隙環(huán)和連接塊。運動方式是將缸體固定，活塞桿前后運動，試驗時可同時施加推拉力。LUD在正常工況下為柔性連接，在地震工況下為剛性連接，進而實現(xiàn)主墩共同承受荷載的目的。

圖2 LUD安裝方式

2 試驗內(nèi)容

2.1 試驗標準

歐盟標準EN 15129—2009《Isolation Device》［2］規(guī)定了速度鎖定器、液壓阻尼器等橋梁減振產(chǎn)品的生產(chǎn)控制和試驗內(nèi)容。該標準5.3.4條款中詳細規(guī)定了速度鎖定器的試驗項目和內(nèi)容，是目前世界各國的主要指導性標準。一般依據(jù)標準要求，結(jié)合速度鎖定器的結(jié)構(gòu)和使用工況，起草相應的產(chǎn)品試驗大綱進行試驗［3-6］。

2.2 試驗樣品

本次試驗采用的LUD型號為LUD375/±100，設計荷載為375 kN，設計行程為±100 mm。

2.3 試驗方案

LUD力學性能試驗包括慢速性能、快速性能、模擬動態(tài)和超載試驗。為了滿足不同設計荷載LUD試驗精度的要求，設計不同類型的加載試驗。試驗按加載方式分為剪切式和推拉式；按設計荷載分為大荷載和小荷載，其中大荷載試驗范圍為500～4500 kN，小荷載試驗范圍為50～500 kN。剪切式是將LUD以水平方式安裝于2500 t二維加載試驗機上進行剪切試驗。LUD缸體通過下安裝座固定于試驗機下平臺，活塞桿通過上安裝座固定于上平臺，試驗機垂向油缸保持安裝高度不變，利用水平油缸施加位移對LUD進行試驗。推拉式分水平小荷載、垂直小荷載和水平大荷載3種。

1）水平小荷載。為了滿足LUD小荷載精度測試的要求，在水平加載試驗機上進行試驗。將LUD水平放置，在前端和尾部安裝反力座，并通過T形螺栓與試驗平臺固定，利用常規(guī)液壓油缸對LUD施加水平推拉荷載或位移進行性能測試，見圖3（a）。該方式結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，但所有的水平作用力均由單一的反力座承受，且兩個反力座之間沒有形成力的閉環(huán)，無法承受較大的水平荷載，測試荷載范圍為50～100 kN。

2）垂直小荷載。將LUD以垂直方式放置，通過上下固定座安裝于16通道組合加載試驗機中心位置，LUD的下端固定于試驗機T形平臺，通過試驗機上置導向橫梁和加載油缸對LUD施加動態(tài)荷載，見圖3（b）。該方式適用小噸位LUD的性能測試，不僅滿足了性能測試要求，而且大大提高了荷載的測試精度，測試荷載范圍150～500 kN，最大位移±150 mm，試驗精度±1%。

圖3 小荷載性能試驗

3）水平大荷載。試驗設計將LUD水平方式放置在一個獨立臥式結(jié)構(gòu)的加載試驗機中（圖4），試驗機的固定端和加力端通過兩側(cè)導柱形成力的閉環(huán)，可滿足大荷載加載試驗要求。試驗機中間動橫梁沿導柱水平方向前后運動，可滿足不同長度LUD的試驗要求，最大測試荷載為4500 kN。為了滿足兩端沒有專用拉力結(jié)構(gòu)LUD的試驗要求，在進行大荷載試驗時分改進前和改進后2種方式。

圖4 大荷載性能試驗

改進前采用LUD自身的螺紋接口與連接塊裝配進行試驗［圖5（a）］，這種方式僅適用于單向壓縮荷載的慢速試驗，無法滿足拉伸和壓縮的模擬動態(tài)和超載試驗要求。改進后試驗裝置由450 t液壓加載試驗機和專用工裝組成［圖5（b）］。其中試驗機由固定座、主油缸、導柱、調(diào)節(jié)油缸、底座、夾緊缸、動橫梁和荷載傳感器組成，試驗最大靜載±450 t，最大動載±350 t，最大行程±600 mm。專用工裝主要由連接板、連接螺栓、鎖緊環(huán)、定位螺栓和LUD組成，見圖6。LUD首先通過定位螺栓固定于兩端連接板，然后通過兩半結(jié)構(gòu)的鎖緊環(huán)分別鎖緊速度鎖定器兩端結(jié)構(gòu)后，通過螺栓將鎖緊環(huán)固定于連接板上，達到增加連接強度的目的。

圖5 試驗方案

圖6 專用工裝

綜上，結(jié)合LUD375/±100結(jié)構(gòu)和測量要求可知，水平加載方式雖然能獲得更大的安裝空間，但是荷載量程和測試精度無法滿足試驗要求，且水平加載有最小安裝距離（大于1 m）的特殊要求。若小型LUD采用水平安裝方式會在加載過程中失穩(wěn)。因此，垂直小荷載方案更適合該類型LUD性能試驗。

3 試驗結(jié)果

3.1 慢速性能試驗

3.1.1 試驗方法

水平以0.01 mm/s的速度對LUD施加±100 mm變形，經(jīng)歷一次完整連續(xù)的循環(huán)且荷載穩(wěn)定為止。記錄荷載-位移曲線、荷載-時間曲線。要求在加載過程中無泄漏和卡滯現(xiàn)象，作用力不超過設計荷載的10%。

3.1.2 結(jié)果分析

慢速性能試驗荷載曲線見圖7。

圖7 慢速性能試驗荷載曲線

由圖7（a）可知：位移在0～10 mm時，荷載隨位移快速增加，在10～20 mm時緩慢遞增，位移大于23 mm后荷載趨于平穩(wěn)。這表明加載初期由于試驗連接件的間隙、缸內(nèi)硅脂壓縮量大，荷載上升較快，到加載LUD中間位置各種間隙已消除，壓縮空間變小而介質(zhì)體積不變，導致荷載變化較小。此時的作用力促使活塞桿開始產(chǎn)生滑移，最大作用力為32.5 kN。加載后期活塞桿持續(xù)滑移，荷載不再上升且保持穩(wěn)定。

由圖7（b）可知：在加載初期（0～2500 s），荷載隨時間遞增，在2500 s后達到穩(wěn)定值32.5 kN，此后有5000 s的保載狀態(tài)，即時間增加而荷載保持不變。反向加載時有同樣的特性。這表明LUD具有較好的正反向承載性能，且在慢速運動過程中存在比較穩(wěn)定的作用力。

慢速性能試驗的作用力是保持橋梁正?？v向位移的重要參數(shù)，該值不能太大也不太小。作用力太大，導致縱向位移無法釋放，不能滿足正常使用要求；作用力太小，導致縱向位移過大，從而形成對橋墩的縱向沖擊。本次試驗LUD慢速作用力為32.5 kN，小于設計值37.5 kN，表明LUD具有較好的慢速性能。

3.2 快速性能試驗

3.2.1 試驗方法

在2 s內(nèi)對LUD施加375 kN荷載，分別進行拉伸和壓縮試驗，連續(xù)加載4個循環(huán)，記錄荷載-位移曲線、荷載-時間曲線。試驗過程中LUD不得出現(xiàn)滲漏、屈服、破壞等現(xiàn)象，LUD的鎖定位移小于12 mm。

3.2.2 結(jié)果分析

快速性能試驗荷載曲線見圖8?？芍?，LUD的荷載隨位移呈線性遞增，且正反加載對稱性較好。從零荷載到最大荷載的位移為11 mm，且LUD未出現(xiàn)滲漏、屈服、破壞等現(xiàn)象，這表明LUD能夠?qū)崿F(xiàn)快速鎖定，且鎖定位移小于12 mm。LUD在快速加載過程中，荷載隨時間的變化比較對稱且曲線光滑，這表明LUD內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設計滿足快速加載試驗要求。

圖8 快速性能試驗荷載曲線

3.3 模擬動態(tài)試驗

3.3.1 試驗方法

在0.5 s內(nèi)施加375 kN拉力荷載，在5.0 s內(nèi)保持此荷載；然后在1.0 s內(nèi)施加反方向力375 kN，在5.0 s內(nèi)保持此荷載，再在1.0 s內(nèi)卸載，循環(huán)3次。記錄荷載-位移曲線、荷載-時間曲線，試驗過程要求沒有泄漏、卡滯現(xiàn)象；從零荷載到最大荷載的位移不超過12 mm；首個循環(huán)中荷載穩(wěn)定階段的位移不超過12 mm。

3.3.2 結(jié)果分析

模擬動態(tài)試驗荷載曲線見圖9。可知：①LUD在首個加載循環(huán)中位移小于8 mm時荷載隨位移快速遞增，位移在8～20 mm時LUD處于保載狀態(tài)，在后續(xù)的2個加載循環(huán)中呈同樣的規(guī)律。②LUD在0.5 s達到了設計荷載375 kN，此后5.0 s處于保載狀態(tài)；在反向加載和后續(xù)的2個循環(huán)中曲線光滑、對稱、無異常。從零荷載到最大荷載的位移為8 mm，首個循環(huán)中荷載穩(wěn)定階段的位移沒有超過12 mm，這表明LUD在模擬動態(tài)試驗過程中能夠在規(guī)定時間內(nèi)快速達到設計荷載，且能保持荷載的穩(wěn)定。

圖9 模擬動態(tài)試驗荷載曲線

3.4 超載試驗

3.4.1 試驗方法

在1 s內(nèi)對LUD施加413 kN荷載使其鎖定，在15 s內(nèi)保持荷載。記錄荷載-位移曲線、荷載-時間曲線。試驗過程不得有任何滲漏和卡滯現(xiàn)象。

3.4.2 結(jié)果分析

超載試驗荷載曲線見圖10。可知，LUD在位移9.5 mm時達到了1.5倍設計荷載，且持續(xù)了15 s的保載狀態(tài)。一方面表明速度鎖定器缸體內(nèi)硅脂具有一定的過載壓縮和自由恢復能力，密封件具有較好的超載密封性能；另一方面表明LUD的金屬件缸體、活塞桿和端蓋的結(jié)構(gòu)強度具有一定的安全儲備，同時能夠?qū)崿F(xiàn)過載工況下快速鎖定和保載功能。

圖10 超載試驗荷載曲線

4 結(jié)語

本文采用推拉式垂直小荷載的方式進行各項試驗，試驗設計滿足要求。該種結(jié)構(gòu)速度鎖定器慢速作用力為32.5 kN，能實現(xiàn)快速鎖定且位移小于12 mm，模擬動態(tài)測試時零荷載到最大荷載的位移為8 mm，且能夠在規(guī)定時間內(nèi)快速達到設計荷載，保持荷載的穩(wěn)定。超載試驗未出現(xiàn)滲漏和卡滯現(xiàn)象。試驗裝置具有一定的實用推廣價值。