基于拉伸型限位鍵的犧牲裝置與性能試驗

管仲國， 李 延， 周 良， 閆興非

(1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092； 2. 上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司，上海 200125)

減、隔震技術是一種簡便、經(jīng)濟、高效的工程抗震手段，廣泛地應用于橋梁抗震安全設計，并在實際地震中有良好的表現(xiàn)[1-2].減、隔震結(jié)構(gòu)在地震條件下，一般需要容許結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水平相對變形和耗能來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震減震.為滿足正常使用狀態(tài)上、下部結(jié)構(gòu)的約束剛度和強度需要，同時又能滿足地震發(fā)生時足夠的變形和運動空間，往往在減隔震裝置上設置犧牲裝置[3-6].利用犧牲裝置的剛度和強度提供正常使用狀態(tài)下的水平約束性能，同時在強震發(fā)生時犧牲裝置發(fā)生斷裂退出工作(熔斷機制)，使得上、下部結(jié)構(gòu)間的水平附加約束得以釋放，提供減隔震裝置所必須的變形和運動空間，發(fā)揮減震耗能功效[7-9].

目前，常見的犧牲裝置為剪切銷構(gòu)造設計，是通過2個分離的約束裝置對剪切銷釘形成“純剪”作用，剪切銷釘一般在特定的截面位置進行削弱(U型或者V型斷口)，以控制剪切破壞形態(tài)并減小剪切破斷力的離散性，實現(xiàn)破斷力的精準控制.但已有的剪切銷試驗結(jié)果顯示，剪切銷釘?shù)膶嶋H受力狀態(tài)受約束裝置的尺寸容差和安裝精度影響較大，當兩側(cè)的約束裝置預留孔不同軸時，易產(chǎn)生附加彎矩并導致剪切銷過早失效；此外，當約束裝置預留孔容差較小時，會導致安裝困難，而當約束裝置預留孔容差較大時，剪切銷對約束裝置的側(cè)壁也會產(chǎn)生較大的局部擠壓作用，并可能導致約束裝置永久變形，影響繼續(xù)服役性能[10].橋梁結(jié)構(gòu)為滿足正常使用一般需要較大的約束力，須采用大直徑剪切銷釘同時配備相應大小的約束裝置，當和減隔震支座的上、下底板進行錨固時會導致局部受力不利，因此一般采用多個小直徑銷釘組合受力的方案[11].但剪切銷釘由于采用削弱截面設計，發(fā)生破壞時極限變形較小，表現(xiàn)為脆性破壞[12]，考慮各剪切銷釘?shù)牟牧?、尺寸及安裝誤差等難以保證剪力在各個剪切銷釘之間均勻分配，極易導致不同剪切銷釘先后破壞，無法滿足群釘協(xié)同受力的要求.較小的極限變形也難以滿足橫橋向不同支座考慮橫向溫度變形影響的協(xié)同受力問題，尤其是橋面較寬的情況.此外，剪切銷釘在缺口截面上會導致應力集中，在橋梁正常使用過程中，受到諸多頻繁往復的作用(如汽車制動力、風荷載作用力等)，進而導致限位鍵出現(xiàn)疲勞問題[13-14].

為此，提出基于拉伸型限位鍵的水平限位犧牲裝置，通過提升限位裝置的極限變形能力和抗疲勞性能，以克服剪切型限位裝置的缺點.進一步通過拉伸型限位鍵及限位裝置整體靜載性能試驗研究，驗證拉伸型限位鍵的極限變形能力和考慮多釘協(xié)調(diào)受力的水平限位犧牲裝置基本性能，并通過拉伸型限位鍵的和剪切銷釘?shù)钠谛阅軐Ρ仍囼?，驗證拉伸型限位鍵的疲勞性能.

1 基于拉伸型限位鍵的水平限位犧牲裝置

基于拉伸型限位鍵的水平限位犧牲裝置基本構(gòu)造如圖1所示.當主梁梁體帶動支座上鋼板平動時產(chǎn)生作用于轉(zhuǎn)向塊頂部的水平作用力，形成轉(zhuǎn)向塊繞限位鋼條的作用力矩，并在轉(zhuǎn)向塊底板的固定螺栓中形成拉力作用.轉(zhuǎn)向塊底板上的螺栓孔采用長圓孔設計，以確保在固定螺栓中主要產(chǎn)生拉力作用，固定螺栓采用普通高強螺栓加工而成，并具有特定的截面削弱段以形成拉伸型犧牲限位鍵，如圖2所示.在正常使用條件下，主要依賴拉伸型限位鍵的強度提供水平固定約束.在地震作用下，當作用于限位鍵上的拉力超過其削弱截面的最大抗拉能力，限位鍵被拉斷，水平限位約束被解除，減、隔震支座發(fā)揮正常減、隔震功能.

圖1 拉伸型裝置構(gòu)造

圖2 拉伸型限位鍵

拉伸型限位鍵的截面削弱不同于剪切銷釘中常用的U型或者V型缺口，而是采用具有一定長度、小弧度光滑過渡的截面削弱段.一方面，控制拉伸型限位鍵的主要變形和破壞發(fā)生在截面削弱段區(qū)域；另一方面，通過改變削弱段的長度可以任意調(diào)節(jié)限位鍵的極限變形能力，使之具有一定的延性能力，以便于限位鍵群協(xié)同工作.由于拉伸型限位鍵以受拉作用為主，在截面削弱段上的拉應力是均勻分布的，因此在發(fā)生破壞時,也不會因為可能形成的不規(guī)則斷口而影響限位鍵的剪斷力.拉伸型限位鍵采用小弧度光滑過渡也可以顯著改善限位鍵的應力集中狀況，提高其抗疲勞性能.

基于拉伸受力型的水平限位裝置對位移能力的調(diào)節(jié)，除了上述截面削弱區(qū)段長度以外，轉(zhuǎn)向塊的作用矩力臂(支座頂?shù)装鍍舾?和抵抗矩力臂(限位鍵中心距離限位鋼條的間距)之比也對限位裝置整體的變形能力形成放大作用，不僅包括塑性階段的位移能力，還包括彈性階段的位移能力.增大彈性階段的位移能力有助于橫橋向考慮多支座限位裝置共同抵御正常使用階段的橫向最不利荷載作用，避免僅在一側(cè)的支座上設置過大的限位裝置.

2 靜載性能試驗

為驗證基于拉伸受力型限位裝置的承載性能以及確定拉伸受力型限位鍵的削弱段長度參數(shù)，進行拉伸受力型限位鍵的靜載性能試驗研究，同時為對比起見，進行相同材質(zhì)和削弱截面尺寸的剪切型限位鍵的對比試驗.在此基礎上，進一步對拉伸受力型限位裝置進行靜載推出試驗，驗證考慮群釘效應的限位裝置承載性能.

2.1 限位鍵靜載性能試驗

試驗在上海材料研究所靜載萬能實驗機上進行，采用單調(diào)靜力加載方式.拉伸受力型限位鍵共3組，每組試樣2個，對應的削弱截面長度分別初步取用0 mm(編號A0、B0)、2 mm(編號A2、B2)和6 mm(編號A6、B6).剪切型限位鍵每組試樣包含U型縮口試樣2個(編號AU、BU)和V型縮口試樣2個(編號AV、BV).所有限位鍵試樣均由10.9級高強螺栓加工而成，拉伸受力型限位鍵和剪切型限位鍵的削弱截面直徑均為12 mm.拉伸受力型限位鍵由試驗機夾具直接夾持，荷載結(jié)果由試驗機直接讀取，位移測量由電子百分表測量，測量標距為15 mm(等于轉(zhuǎn)向塊底板厚度)并跨越截面削弱區(qū)段.剪切型限位鍵采用如圖3所示的單剪切面夾具進行加載，荷載結(jié)果由試驗機直接讀取，位移測量同樣由電子百分表測量，為2片半圓形夾具的相對滑動位移[15].

圖3 剪切型限位鍵試驗夾具

圖4所示為拉伸型限位鍵和剪切型限位鍵的荷載-位移關系.從圖4a可以看出，隨著削弱截面長度的增加，各拉伸型限位鍵的彈性段變形相差較小，但塑性變形能力隨之顯著增加，這驗證了利用截面削弱段長度調(diào)節(jié)塑性變形能力的設想.從圖4b可以看出，采用U型縮口和采用V型縮口的極限剪切荷載基本相同，采用U型縮口的彈性變形能力明顯高于采用V型縮口情況，此外采用U型縮口也具有一定的塑性變形能力， V型斷口則表現(xiàn)為明顯的脆性破壞特征.進一步對比圖4a和圖4b可以看出，對于相同的削弱截面尺寸，拉伸型限位鍵具有更高的承載能力，這是由于鋼材的抗拉強度高于抗剪強度的緣故；此外，拉伸型限位鍵的變形能力明顯大于剪切型限位鍵，對應6 mm的削弱段長度，拉伸型限位鍵的彈性和塑性變形能力均達到4 mm，而采用U型縮口的剪切型限位鍵則基本為2 mm，V型縮口的彈性變形能力接近2 mm，但塑性變形能力基本為零.

a 拉伸型限位鍵

b 剪切型限位鍵

圖5所示為不同限位鍵的靜載試驗破壞狀態(tài)對比.從圖5a可以看出，拉伸型限位鍵在截面削弱區(qū)段產(chǎn)生了明顯的頸縮效應，斷后縮口段永久變形約為4～6 mm，表現(xiàn)出良好的塑性變形能力.對于剪切型限位鍵，U型縮口的限位鍵(圖5b)剪斷后的橫向永久位移約為2 mm，V 型縮口的限位鍵(圖5c)殘余變形非常小，小于0.5 mm.

2.2 基于拉伸型限位鍵的水平限位犧牲裝置靜載性能試驗

為了驗證多個限位鍵共同作用下的水平限位裝置整體承載性能，進行了水平限位裝置靜載推出試驗.為避開支座本體水平荷載-位移的影響，試驗中僅考慮限位裝置，如圖6所示，包含一部分支座底板(含限位鋼條)、1個轉(zhuǎn)向塊和3個拉伸型限位鍵.試驗中將支座底板通過錨固螺栓固定于試驗臺座上，為便于水平作動器加載，實際試驗中將支座頂板作用于轉(zhuǎn)向塊頂部的水平推力轉(zhuǎn)換為對轉(zhuǎn)向塊的反向拉力，并通過3個拉力與作動器相連的螺桿進行施加.作動器加載采用位移加載控制，荷載由作動器反饋直接讀取，轉(zhuǎn)向塊頂部的水平位移由水平位移計觀測(圖7).

a 拉伸型限位鍵

b U型縮口剪切型限位鍵

c V型縮口剪切型限位鍵

圖6 新型限位犧牲裝置構(gòu)造

試驗的拉伸型限位鍵的削弱截面長度均為6 mm，共進行了5組重復性試驗，每組3個限位鍵.圖7所示為限位裝置臨近極限變形的狀態(tài)，可以看出，轉(zhuǎn)向塊已產(chǎn)生明顯的轉(zhuǎn)動位移.圖8所示為5組試驗的荷載-位移關系，可以看出5組試驗的荷載-位移路徑基本相似，平均峰值荷載為139.9 kN，標準差為3.4%.圖4a中削弱截面長度為6 mm的限位鍵極限拉斷力為106.4 kN，根據(jù)轉(zhuǎn)向塊力矩平衡關系計算得到限位裝置水平抗推力理論值為133.0 kN，誤差為4.9%.由此可見，該限位裝置能較好滿足群釘協(xié)同受力需求，試驗值與理論值符合較好.進一步對比圖4a和圖8可以看出，單鍵荷載-位移關系中明顯的轉(zhuǎn)折關系在限位裝置整體中體現(xiàn)并不明顯，并且相比單鍵中的塑性變形約占總體變形的50%，限位裝置整體的荷載-位移關系中塑性變形的比重有所降低，這主要是限位鍵在安裝過程中采用手動擰緊的方式，導致各限位鍵的預張力并不相同，進而產(chǎn)生先后屈服的原因所致.即使如此，每組限位裝置試驗仍表現(xiàn)出明顯的有限延性特性.總體上，限位裝置整體的彈性位移近9 mm，極限位移約15 mm，可見基于拉伸限位鍵的水平限位犧牲裝置具有更大的位移能力.對于一座橫向最大支座間距為10 m、上下部結(jié)構(gòu)溫差為±20 ℃的橋梁，其橫向支座最大位移差約為2 mm，由此可見，基于拉伸型限位鍵的水平限位犧牲裝置可以較好地滿足橫橋向多個支座約束協(xié)同的問題.

圖7 試驗加載

圖8 新型限位犧牲裝置整體荷載-位移關系

3 疲勞性能試驗

因為截面削弱的存在易導致應力集中進而導致疲勞破壞，所以對拉伸型限位鍵和剪切型限位鍵進行疲勞加載試驗，主要測試各限位鍵在200萬次疲勞作用下的疲勞抗力.

3.1 拉伸型限位鍵疲勞性能試驗

拉伸疲勞試驗在上海材料研究所力學檢測中心進行，疲勞加載試驗采用Zwick Amsler 150 HFP5100型高周疲勞試驗機(圖9).考慮到試件安裝與連接對中的需要，試件總長度增加到300 mm，采用相同材質(zhì)的高強螺栓絲桿加工而成，保持截面削弱區(qū)域具有相同的弧度過渡設計以達到相同的應力集中程度，試件削弱部位加工采用精車削加工[16].

圖9 拉伸型限位鍵疲勞試驗

考慮到拉伸型限位鍵工作中僅承擔拉力作用，疲勞試驗加載采用等幅受拉加載模式，即當疲勞加載幅為45 kN時，理論加載幅采用0～45 kN(實際加載為防止試件松弛，采用5 kN～50 kN加載).拉伸型限位鍵共有4個試樣發(fā)生了疲勞破壞，試樣疲勞破壞的位置均發(fā)生在弧形過渡段.典型斷口形狀如圖10所示，可以看出，斷口相對平整.圖11所示為拉伸型限位鍵的疲勞壽命曲線，圖中括號內(nèi)的數(shù)據(jù)標識為加載幅.可以看出，隨著理論加載幅的下降，疲勞壽命逐漸增加.根據(jù)試驗結(jié)果，按直線內(nèi)插，估算對應200萬次疲勞壽命下的理論加載幅約為43.5 kN，對應應力幅值約為385 MPa，約占單調(diào)靜載極限強度的37%.

3.2 剪切型限位鍵疲勞性能試驗

為對比起見，開展剪切型限位鍵的疲勞性能試驗，并重點針對疲勞性能相對較好的U型縮口試件.試驗同樣在上海材料研究所力學檢測中心進行，如圖12所示，通過夾具將試驗機的拉壓作用轉(zhuǎn)換為剪切作用.需要說明的是，本來剪切型限位鍵的加載方案擬采用與拉伸型限位鍵相同的方案，但實際的試驗效果顯示，盡管試件整體上都始終處于受拉狀態(tài)，但在達到一定的加載次數(shù)后會因為試樣與夾具之間的累積擠壓變形而改變整個試件的剛度，進而導致試驗終止，客觀上這也反映了剪切型限位鍵與約束裝置(夾具)之間復雜的受力關系.為此，試驗改為低頻強震振動加載方式，同時考慮剪切型限位鍵的實際受力狀態(tài)存在各向剪力作用，采用交變剪力，即當疲勞加載幅為45 kN時，加載幅為-22.5 kN～22.5 kN.

圖10 拉伸型限位鍵疲勞試驗斷口形狀

圖11 拉伸型限位鍵試樣的疲勞壽命曲線

圖12 剪切型限位鍵加載裝置

本次剪切型限位鍵U型縮口試樣共8個，加載幅從±18 kN～±25 kN，V型縮口試樣1個，加載幅為±20 kN.圖13a所示為U型縮口試驗的典型疲勞破壞斷口形狀，可以看出斷口并不平整，存在明顯的突起，這與U型縮口試樣削弱截面復雜的應力狀態(tài)是一致的，而V型縮口試樣斷口形狀(圖13b)則相對平整，這主要是因為V型縮口的應力集中主要發(fā)生在V型縮口的底緣.圖14所示為剪切型限位鍵的疲勞壽命曲線，對于U型縮口試件，對應200萬次疲勞壽命下的加載幅約為±19.5 kN，名義應力幅值約為±172 MPa，最大疲勞抗力約為其靜載極限承載力的25%；在相同疲勞荷載作用下，V型縮口剪切型限位鍵的疲勞壽命顯著低于U型縮口剪切型限位鍵的疲勞壽命.

a U型縮口

b V型縮口

圖14 剪切型限位鍵疲勞壽命

4 結(jié)論

提出基于拉伸型限位鍵的水平限位犧牲裝置，并通過靜載性能試驗和疲勞性能試驗，驗證其設計理念和關鍵性能表現(xiàn)，主要結(jié)論如下：

(1)新型限位裝置通過轉(zhuǎn)向塊將水平限位力轉(zhuǎn)換為對限位鍵的拉力作用，拉伸型限位鍵可以通過截面削弱段長度來調(diào)節(jié)限位鍵的極限變形能力.對拉伸型限位鍵和限位裝置整體的靜載性能試驗顯示，拉伸型限位鍵和限位裝置整體具有優(yōu)異的變形能力，能夠滿足多個限位鍵協(xié)同受力和多支座協(xié)同約束的要求.

(2)拉伸型限位鍵具有更好的疲勞性能，對應200萬次疲勞壽命下的疲勞抗力約為靜載極限承載力的37%.U型縮口剪切型限位鍵對應200萬次疲勞壽命下的疲勞抗力約為極限承載力的25%.在相同疲勞荷載作用下，V型縮口剪切型限位鍵的疲勞壽命顯著低于U型縮口剪切型限位鍵的疲勞壽命.