金屬橡膠橋梁支座疲勞試驗研究

張 恒, 夏修身, 喬 鑫, 朱志杰, 戴勝勇

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院,蘭州 730070; 2. 中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

金屬橡膠橋梁支座解決了常用橡膠支座老化、龜裂的耐久性問題。在前期研究中發現金屬橡膠橋梁支座具有良好的阻尼性能,而且其豎向承載力、剪切性能、轉動性能等均滿足橋梁結構的要求[1-6],具有較好的應用前景,但金屬橡膠橋梁支座承受交替變化的車輛活載,可能存在疲勞問題。

目前,國內外學者對金屬橡膠構件疲勞性能開展了諸多研究。文獻[7]研究發現金屬橡膠的損傷微觀上體現在金屬絲的磨損和斷裂,宏觀上表現為結構不可逆的力學性能退化過程。文獻[8]以損傷因子為指標,研究了大環比環形金屬橡膠密封件的疲勞特性,表明金屬橡膠密封件的磨損隨孔隙度的減小、加載振幅的增大而增加。文獻[9]通過研究不同溫度下金屬橡膠隔振器的疲勞失效過程,分析其性能退化規律,明確了高低溫對金屬橡膠疲勞失效的影響規律。文獻[10]研究發現金屬橡膠在疲勞加載過程中其動態剛度會先增大后開始衰退,同時循環振動不僅會使內部金屬絲產生疲勞裂紋,還會出現斷裂脫落的現象。文獻[11]通過疲勞試驗對金屬橡膠構件中金屬絲的斷裂原因進行了分析,發現金屬絲的疲勞裂紋具有一定的多源特征,而且裂紋擴展區有典型的舌形疊加波浪狀疲勞輝紋。文獻[12]以割線剛度和等效黏性阻尼系數作為疲勞參數,研究了振幅對金屬橡膠材料疲勞壽命的影響,發現振幅的增大會導致金屬橡膠材料疲勞壽命迅速縮短。文獻[13-14]研究發現金屬橡膠的損傷是由內部金屬絲的局部磨損和斷裂累積而成,金屬絲的局部斷裂破壞并不意味著整個構件的最終破壞失效。以上研究主要集中在小尺寸構件方面的疲勞問題,多采用加速疲勞試驗方案,即提高加載載荷或振幅、以加速金屬橡膠內部金屬絲的摩擦、磨損及疲勞斷裂,其疲勞試驗試件及方案均不能較好地反映橋梁支座的疲勞受力問題。

本文以某公路橋梁為工程背景,開展大尺寸金屬橡膠橋梁支座200萬次的豎向疲勞試驗,探討疲勞前后支座力學性能變化規律,定量評價支座的疲勞損傷,為金屬橡膠橋梁支座的設計及應用提供參考。

1 疲勞試驗設計

1.1 支座試件

為了使試驗更加符合實際橋梁支座的豎向受力特征,以公路標準跨10 m空心板簡支梁橋為工程背景,參考實際橋的板式橡膠支座尺寸規格共設計了兩個1∶1的足尺金屬橡膠橋梁支座試件進行疲勞試驗。金屬橡膠支座試件采用06Cr17Ni10材料,0.5 mm的金屬絲直徑,5 mm的螺旋徑,其關鍵技術參數如表1所示,照片如圖1所示。

圖1 金屬橡膠支座試件Fig.1 Metal rubber bearing specimen

表1 金屬橡膠支座參數Tab.1 Parameters of metal rubber bearings

1.2 疲勞試驗加載方案

疲勞試驗在蘭州交通大學道路工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室進行, 見圖2(a)。PME-50A疲勞試驗機最大動、靜加載力均為500 kN,活塞最大伸出量即最大加載位移為120 mm,可實現正弦波加載,最高振動頻率為10 Hz。參考GB/T 20688.1—2007《橡膠支座 第1部分:隔振橡膠支座實驗方法》規范[15],制定的加載方案如下:

圖2 金屬橡膠支座試驗照片Fig.2 Test photos of metal rubber bearings

(1)疲勞試驗加載波形為正弦波,加載頻率5 Hz,反復加載總次數為200萬次。

(2)應力幅中的最小應力由背景簡支梁承受的永久荷載(結構自質量)引起,應力范圍為簡支梁承受的可變荷載(車道荷載)所致,最大應力取為簡支梁永久荷載和可變荷載之和,具體加載應力如表2所示。表2中:Smax、Smin為試驗加載的最大應力和最小應力;ΔSa=Smax-Smin為應力范圍。為考察加載應力幅的影響,MRB1、MRB2支座采用了不同的結構自質量,其分別對應背景橋的邊板與中板荷載。

表2 疲勞試驗加載應力Tab.2 Fatigue test loading stress

1.3 豎向壓縮及壓剪試驗加載

疲勞試驗前后和疲勞試驗過程中支座的力學性能指標變化由壓剪試驗和豎向壓縮試驗獲取。

(1)壓剪試驗用來研究疲勞前后支座水平方向力學性能的變化規律。在平均壓應力為10 MPa的豎向力下進行剪應變為25%的剪切試驗。壓剪試驗由電液壓伺服作動器完成,水平力量程為±300 kN,位移量程為±100 mm。由于試驗條件的限制,壓剪試驗只在疲勞試驗前和疲勞試驗結束之后進行,試驗照片見圖2(b)。

(2)豎向壓縮試驗研究疲勞過程中支座壓縮性能的變化規律。靜態壓縮試驗以每次5 kN的力逐級加載至最大荷載210 kN(約為10 MPa),然后逐級卸載至0。試驗中采用WBD-50型機電百分表測量支座的壓縮變形,測量精度為0.01 mm,豎向力利用輪輻式壓力傳感器配備的智能顯示器讀取,精度為0.1 kN。豎向壓縮試驗和疲勞試驗交替進行,疲勞試驗每循環加載20萬次進行一次豎向壓縮試驗,壓縮試驗加載照片見圖2(c)。

2 試驗結果及分析

2.1 疲勞損傷現象及其分析

試驗前后支座試件整體外觀變化不大、在其外觀未發現明顯的損傷特征(見圖3),這是由于金屬橡膠材料的特殊性決定的。在疲勞試驗過程中發現支座局部有少量斷絲掉落,如圖4所示。金屬橡膠橋梁支座的疲勞破壞與其他實體金屬材料不同,它不會發生突然損壞失效[16],而是內部金屬絲之間磨損、破碎到斷裂逐漸累積損傷導致其力學性能退化的一個過程。同時,由于金屬橡膠支座內部結構的復雜性,即使出現了斷絲、掉絲,產生了局部破壞,也并不能判定其整體失效。因此需要找出能夠反映支座漸進式累積損傷的指標,從而評估支座的疲勞壽命。

圖3 疲勞試驗后MRB2支座照片Fig.3 Photo of MRB2 bearing after fatigue test

圖4 疲勞過程中MRB2支座斷絲Fig.4 Broken wire of MRB2 bearing during fatigue

2.2 滯回曲線

疲勞試驗前后支座的壓剪滯回曲線和疲勞過程中支座的豎向壓縮滯回曲線如圖5、圖6所示。

圖5 支座壓剪滯回曲線Fig.5 Bearings compression shear hysteresis curve

圖6 支座壓縮滯回曲線Fig.6 Bearings compression hysteresis curve

由圖5可以看出,疲勞明顯減小了支座的屈服后剛度,但對屈服前剛度相對影響較小,此外支座受推時水平最大承載力與疲勞前相比明顯減小,MRB1、MRB2支座受推側水平最大承載力分別由疲勞前的57.1 kN和70.1 kN減小到了34.3 kN和45.8 kN。疲勞后支座的壓剪滯回曲線較疲勞前更加飽滿,這是因為疲勞使金屬絲之間由疲勞前的光滑連接變成了疲勞后的絲面有磨損連接、增大了摩擦力,導致支座壓剪滯回曲線相對于疲勞前更加飽滿。支座受推時水平最大承載力與疲勞前相比明顯減小,滯回曲線形狀由試驗前基本對稱的梭形狀轉變為非對稱,這是因為在壓剪試驗中,由于局部斷絲對支座剪切過程中拉與壓的影響不同而致,局部斷絲對支座受推時的方向影響大,對支座受拉方向影響小。

由圖6(a)可以看出,MRB1支座的豎向壓縮位移隨疲勞加載次數先減小后增大然后又趨于穩定,由疲勞前的8.95 mm到加載次數為20萬次時的8.64 mm再到疲勞后(200萬次)的11.76 mm,與疲勞前相比,疲勞后的壓縮位移增大了31.4%。支座豎向壓縮位移隨疲勞加載次數先減小后增大然后趨于穩定,這是因為金屬橡膠材料沒有經過熱穩定化處理,其內部組織結構是不穩定的,振動初期,金屬線匝的相互嵌入、相互咬合增強,同時金屬絲表面出現冷作硬化現象,使得構件內部非線性成分增加,表現為非線性剛度的增加,故豎向壓縮位移在疲勞加載前期先減小。20萬次后壓縮位移逐漸增大,這是由于金屬橡膠材料內部應力集中部位的金屬絲在振動過程中發生磨損、疲勞硬化和斷裂,使得構件豎向剛度下降而致。圖6(b)中 MRB2支座也有同樣的規律,疲勞后壓縮位移增加了9.7%,其增加幅度小于MRB1支座,與其較小的疲勞加載應力幅相對應(見表2)。

2.3 支座剪切力學性能指標變化

為研究疲勞前后剪切性能和疲勞過程中支座壓縮性能的變化規律,引入以下指標:①耗能W,支座力-位移滯回曲線面積,反映支座的耗能能力;②等效剛度Keq,反映支座的承載能力;③等效阻尼比ξ,反映支座的阻尼性能,具體計算方法參考文獻[17]。為了容易區分,在文中剪切性能分別以W1、K1、ξ1表示,壓縮性能分別以W2、K2、ξ2表示。

支座疲勞前后剪切性能的具體計算如表3所示,結果對比如圖7所示。

圖7 疲勞前后支座剪切性能指標比較Fig.7 Comparison of bearings shear performance index before and after fatigue

表3 支座疲勞前后剪切性能Tab.3 Bearing fatigue before and after shear performance

由表3及圖7可知,在疲勞試驗之后,金屬橡膠支座的等效剪切剛度均有所減小,MRB1支座減小了23.87%、MRB2支座減小了20.84%,MRB1支座的減小幅度大于MRB2支座,這也與其較大的疲勞加載應力幅相對應。疲勞后的剪切耗能與等效阻尼比較疲勞前有明顯增加,MRB1、MRB2支座的剪切耗能分別 增大了94.94%與63.59%,等效阻尼比分別增大了137.5%和110.0%。

2.4 支座壓縮性能指標變化

疲勞過程中壓縮性能指標的變化如圖8所示。

圖8 疲勞過程中支座壓縮性能指標變化曲線Fig.8 Change curve of bearing compression performance index in fatigue process

由圖8(a)可以看出,MRB1支座的豎向等效剛度K2隨循環次數的增加先增大后減小然后趨于穩定,由疲勞前的23.45 kN/mm到加載次數20萬次時的24.24 kN/mm再到疲勞后(200萬次)的17.80 kN/mm,與疲勞前相比,疲勞后MRB1支座的豎向等效剛度減小了24.11%。其原因是支座在各種特殊工藝制作成型后內部結構不穩定,在疲勞試驗中,支座內部的殘余應力在反復變形過程中得以釋放,同時經過一定的振動周期后金屬絲之間的勾連狀態趨于穩定,導致K2在初始階段出現了略有增大的現象。MRB2支座也有同樣的規律,疲勞后豎向等效剛度減小了12.55%。由圖8(b)可以看出,支座的豎向耗能在疲勞過程中整體呈增大趨勢,疲勞后MRB1支座增大了12.71%,MRB2支座增大了12.19%。圖8(c)中與剪切性能變化不同的是豎向等效阻尼比ξ2略有減小的現象,其原因是等效阻尼比同時與耗能、等效剛度、最大位移等相關參數有關,而在疲勞試驗中,支座的豎向壓縮位移隨著循環次數的增加而增大,同時豎向耗能W2相比剪切耗能W1來說增加趨勢較緩,因此導致等效阻尼比ξ2出現了減小的趨勢。

2.5 支座的高度變化

在疲勞試驗過程中,每循環加載20萬次對金屬橡膠支座的高度進行測量和記錄。測量時將金屬橡膠支座靜止放置在水平面上,采用數顯游標卡尺(精度0.01 mm)測其如圖9所示四點的高度值取平均作為支座高度的最終測量值(見表4),疲勞過程中支座高度的變化曲線如圖10所示。

圖9 支座高度測量點示意圖Fig.9 Schematic diagram of bearings height measuring point

圖10 疲勞過程中支座高度變化曲線Fig.10 Variation curve of bearings height during fatigue

表4 疲勞過程中支座高度測量值Tab.4 Measured values of bearing height during fatigue

由圖10和表4可以看出,金屬橡膠支座的高度隨循環次數的增加整體出現略有減小的現象,疲勞后MRB1和MRB2支座的高度分別減小了2.2%和1.6%。這是由于在疲勞試驗過程中金屬橡膠支座內部金屬絲發生了一定程度的塑性變形以及部分金屬絲產生了疲勞斷裂所致。

3 金屬橡膠橋梁支座疲勞損傷表征

在金屬橡膠橋梁支座疲勞試驗中力學性能的衰退主要體現在剪切等效剛度K1、豎向等效剛度K2、豎向等效阻尼比ξ23個方面。參照曹鳳利等的研究,引用疲勞損傷因子D對支座的疲勞損傷進行表征。各損傷因子按式(1)～式(3)計算。

(1)

(2)

(3)

式中:K1(0)、ξ2(0)和K3(0)分別為初始豎向等效剛度、豎向等效阻尼比和水平剪切等效剛度;K1(n)、ξ2(n)和K3(n)分別為循環振動次數n次后的豎向等效剛度、豎向等效阻尼比和剪切等效剛度。

MRB1支座和MRB2支座的損傷因子D3在振動周期200萬次時的值分別為0.266和0.179。其余損傷因子的具體計算值見表5,各損傷因子與循環振動周期的關系曲線如圖11所示。

圖11 損傷因子與循環次數關系曲線Fig.11 Relationship curve between damage factor and cyclic cycle

表5 損傷因子計算值Tab.5 Calculated values of damage factors

由表5和圖11可以看出,損傷因子D1在加載初始階段有所減小,然后損傷因子D1與D2均隨循環次數的增大而增大。在初始階段兩個支座的損傷因子D1、D2增長趨勢基本一致,而隨著振動循環次數的增加,MRB1損傷因子的增長速率明顯大于MRB2,結合表2說明金屬橡膠橋梁支座的損傷指標對疲勞加載時的應力范圍ΔSa具有一定的敏感性,應力范圍的增大會導致疲勞損傷速率加快。

以損傷因子D作為疲勞失效判據,由蘇海洋和王尤顏等的研究可知,當D≥0.3時可認為金屬橡膠構件發生疲勞失效。文中D1、D2、D3的最大值分別為0.241,0.150和0.266均小于0.3,這表明疲勞試驗后支座并沒有達到失效臨界值,說明金屬橡膠橋梁支座具有良好的疲勞性能。

4 結 論

本文以某公路橋為工程背景,以大尺寸金屬橡膠橋梁支座為研究對象,開展了符合支座實際受力的200萬次豎向疲勞性能試驗研究,得到的主要結論如下:

(1)金屬橡膠橋梁支座的疲勞損傷主要體現在內部金屬絲之間的磨損、局部斷絲、掉絲及累積損傷導致的力學性能指標衰退。

(2)疲勞損傷會顯著降低支座的剪切屈服后剛度、等效剪切剛度和受推側的水平承載力,且使支座的水平滯回曲線變得明顯不對稱,但同時會增大支座的水平耗能能力。

(3)金屬橡膠橋梁支座的豎向等效剛度隨著疲勞加載次數先增大后減小然后再趨于穩定,豎向等效阻尼比與豎向等效剛度的變化規律一致。

(4)金屬橡膠橋梁支座在200萬次疲勞試驗后的豎向等效剛度、豎向等效阻尼比及剪切等效剛度的損傷因子均小于0.3,金屬橡膠橋梁支座具有良好的疲勞性能。