輕軌U形梁支座靜載及疲勞特性研究

2012-01-09 02:30:52鄭小剛

鐵道標準設計 2012年1期

趙虎,莊嚴，嚴猛，鄭小剛

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

輕軌交通是目前我國一種較為新穎的軌道交通形式,具有編組靈活,運力可觀,運行速度快及地形跨越能力強等特點。隨著我國城市公共交通建設的深入發展,輕軌這種交通形式正得到社會越來越多的關注和學者們越來越廣泛和深入的探討。而近年來世界各地重特大地震災害頻發,這促使人們對橋梁結構提出了更高的抗震隔震要求。在橋梁結構上采用具有抗震隔震效果的抗震支座,可以減少整個結構體系的剛度,延長振動周期,從而可以最大限度地避開地震卓越周期處的強烈地面震動；同時支座發生較大的變形,耗散地震作用輸入結構的能量,使得結構安全得到保證[1-6]。而且采用抗震支座在設計和施工上簡便易行。鑒于支座的靜載特性及疲勞特性對結構整體性能及長期運營耐久性能的突出影響[7-10],針對重慶輕軌軌道交通一號線工程中梁山以西高架區間采用的標準跨徑為30 m的單線小U梁結構(為后張法預應力混凝土U形簡支梁)所采用的150 t抗震盆式橡膠支座,為檢驗其疲勞性能和疲勞荷載下的靜載性能,對該型支座進行疲勞實驗以研究其相關特性。

1 試驗設計

U形梁固定支座型號為專橋(2009)8185-QKPZ-I-1500-1500-GD-0.1g,縱向活動支座型號為專橋(2009)8185-QKPZ-I-1500-1500-ZX-0.1g。

通過對歷經不同疲勞加載循環次數后的支座的靜力性能試驗,測試縱向活動支座豎向壓縮變形、盆環徑向變形及支座摩擦系數等性能參數,并分析其隨疲勞循環次數的變化規律。

支座靜力性能測試在不同的疲勞循環次數后進行,分別為：疲勞試驗前即0次和疲勞試驗后1萬次、2萬次、5萬次、10萬次、20萬次、50萬次。支座靜力性能測試方式是：各疲勞加載循環結束后,將支座從疲勞試驗臺座上取下,移至恒溫室支座試驗專用臺座,待其溫度穩定至符合試驗環境溫度等條件時,對支座進行靜載試驗測試,檢測支座豎向壓縮變形、盆環徑向變形以及縱向活動支座的摩擦系數等性能參數。

1.1 靜載試驗加載設計

根據U形梁支座的最不利受力狀況,按照設計要求確定其試驗荷載。本支座設計靜力荷載為1 500 kN,實際使用荷載包括梁體自重等,靜力水平為1 032.1 kN,靜荷載構成如表1所示。

表1 靜載試驗荷載 kN

根據試驗支座規格,其設計靜力荷載為1 500 kN,依據《鐵路橋梁盆式橡膠支座》(TB/T2331—2004),靜載試驗荷載取PG=1.5×1 500=2 250 kN。

支座靜載試驗加載分級為0、75、225、450、675、900、1 125、1 350、1 500、1 800、2 025、2 250、75、0 kN；重復3次。

圖1 疲勞加載系統布置(單位：cm)

1.2 疲勞試驗加載設計

(1)豎向疲勞荷載

根據U形梁支座的受力特性分析,結合表1中統計結果,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、軌道臺重及其他二期恒載之和,總計為702.5 kN；

②疲勞荷載上限

疲勞荷載上限為在恒載基礎上疊加可變疲勞活荷載。根據設計,疲勞標準活載軸重為116 kN,而活載軸重設計值為140 kN,因此取疲勞標準軸重值為設計值的116/140=0.828倍；考慮沖擊動力放大系數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。

各種荷載構成見表2。

表2 單個支座承受的計算豎向疲勞荷載 kN

(2)縱向水平位移

在活動支座疲勞試驗中,活動支座考慮水平活動循環疲勞作用。

在疲勞荷載作用下,計算得到跨徑30 m U形梁活動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、下擺中心最大相對偏移量為±3 mm。

(3)加載頻率為2 Hz。

1.3 疲勞試驗加載裝置

疲勞加載系統包括混凝土臺座、加載梁、地錨、2套MTS液壓伺服加載作動器等幾個部分組成,其中,液壓伺服作動器用以分別對支座施加豎向荷載與水平荷載。

疲勞加載系統布置見圖1。由于液壓伺服作動器和試驗場地受限,豎向疲勞荷載的大部分荷載通過預應力鋼筋施加豎向錨固力來實現,豎向疲勞荷載幅值由MTS作動器施加。

試驗所采用的MTS作動器疲勞加載能力上限值為500 kN,對于豎向荷載最大值超過1 000 kN的支座而言,不能實現直接加載,需要進行力的直接二次轉換。

考慮實際情況取作動器疲勞加載上限值為300 kN,按照場地條件設計的分載結構,該荷載分載到試驗支座上的豎向作用力為300×282/295=286.8 kN；試驗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施加的豎向作動力下限值為[702.5-(975.5-286.8)]×295/282=14.4 kN；而預應力鋼筋所需施加豎向錨固力為(975.5-286.8)×295/204=996 kN。

根據各個構件幾何尺寸大小和變形剛度限制,設計加工如圖1所示疲勞加載系統。實際疲勞加載系統見圖2。

圖2 疲勞加載系統照片

1.4 靜載試驗加載裝置

在靜載及疲勞試驗前,采用游標卡尺對支座關鍵部位進行尺寸測量；在各級靜載試驗中,采用YJW-5000微機控制電液伺服壓剪試驗機對試驗支座進行測試。詳見圖3、圖4。

圖3 YJW-5000微機控制電液伺服壓剪試驗機

圖4 靜載加載控制裝置照片

1.5 試驗流程

疲勞加載及靜載試驗測試流程詳見圖5。

圖5 疲勞加載及測試流程

2 試驗測試結果及分析

2.1 縱向活動支座豎向壓縮變形

在50萬次疲勞循環加載過程中,縱向活動支座在靜載試驗中的豎向壓縮變形值見表3,其發展變化規律見圖6。

表3 縱向活動支座豎向壓縮變形

圖6 縱向活動支座豎向變形隨疲勞次數發展規律

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

2.2 縱向活動支座盆環徑向變形

在50萬次疲勞循環加載過程中,縱向活動支座在靜載試驗中的盆環徑向變形值見表4,其發展變化規律見圖7。

由表4和圖7可知：縱向活動支座盆環徑向變形值在0.00～0.06 mm,與盆環外徑的比值為0.00～0.19‰,其值與疲勞循環次數無明顯關聯；但有隨著疲勞循環次數的增加而漸趨于穩定的總體態勢。縱向活動支座盆環徑向變形值與盆環外徑的比值小于0.5‰,滿足《鐵路橋梁盆式橡膠支座》(TB/T2331—2004)規定。