橋梁減隔震鋼支座剪力銷剪斷性能試驗(yàn)研究

王健，夏俊勇*，羅勇歡，馬白虎，杜鑌，徐向東

(1.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007；2.貴州省公路開發(fā)有限責(zé)任公司；3.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司)

減隔震鋼支座結(jié)構(gòu)以其良好的抗震性能和較低的抗震設(shè)防成本日益受到重視，近年來對(duì)減隔震鋼支座的研發(fā)及支座的非線性力學(xué)特性及其力學(xué)模型進(jìn)行了大量的研究。JTG/T B02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》發(fā)布后，中國(guó)國(guó)內(nèi)公路橋梁也越來越多地采用了減隔震鋼支座，如杭瑞高速公路大岳段大批量應(yīng)用了摩擦擺支座，上海羅蘊(yùn)河大橋采用了彈塑性鋼支座，南昌朝陽大橋采用了拉索減隔震球形支座。

減隔震鋼支座在平時(shí)工況下與普通球形支座功能基本一致，在地震工況，當(dāng)水平力達(dá)到一定值時(shí)，支座剪斷剪力保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)開始擺動(dòng)耗能，對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)起減隔震作用。若在平時(shí)工況下，支座剪力保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)過早剪斷，則減隔震鋼支座喪失普通球形支座的水平約束與導(dǎo)向功能，容易引起梁體的偏移甚至落梁，給橋梁正常運(yùn)營(yíng)及民眾生命財(cái)產(chǎn)安全造成隱患。若設(shè)定地震工況下，這些減隔震鋼支座的剪力保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)不能被剪斷，則這些支座將喪失減隔震功能，與普通球形支座無異，給橋梁結(jié)構(gòu)等在地震工況下的結(jié)構(gòu)安全帶來危險(xiǎn)。因此保證減隔震鋼支座的剪力保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)預(yù)期剪斷，對(duì)減隔震鋼支座以及采用減隔震設(shè)計(jì)的橋梁具有至關(guān)重要的意義。該文以剪力銷這種常見的剪力保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)其數(shù)量多少、結(jié)構(gòu)大小、布置方式等因素對(duì)整體剪斷力的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)研究目的

針對(duì)橋梁減隔震鋼支座的剪力銷剪斷性能，研究目的如下：

(1)研究相同規(guī)格不同數(shù)量的剪力銷對(duì)支座整體剪斷力的影響。

(2)研究不同剪力銷規(guī)格對(duì)支座整體剪斷力的影響。

(3)研究相同數(shù)量相同規(guī)格剪力銷不同布置方式對(duì)支座整體剪斷力的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與過程

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 試驗(yàn)對(duì)象

剪切直徑d分別為10、20、30 mm的剪力銷若干，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。為減少試驗(yàn)個(gè)體誤差，所用剪力銷取自同批材料、采用同種工藝制造。

2.1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)剪力銷數(shù)量變化試驗(yàn)：數(shù)量分別為1、2、4、6、8根等。

(2)剪力銷大小規(guī)格變化試驗(yàn)：剪切直徑為10、20、30 mm。

(3)剪力銷布置方式：分單排式、雙排式及半圓周式3種剪力銷布置方式(圖2)進(jìn)行測(cè)試。每種方案進(jìn)行3次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

圖1 剪力銷結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 剪力銷布置方式示意

2.1.3 試驗(yàn)工裝與儀器

試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)見圖3。通過合理設(shè)計(jì)，將所有剪切孔布置于同一剪切板上，兼容試驗(yàn)內(nèi)容中包含的單排式、雙排式及半圓周式布置方式。通過選用不同的配套工裝鋼套，可在同一試驗(yàn)工裝上進(jìn)行兩種規(guī)格的剪力銷試驗(yàn)，另外試驗(yàn)工裝選用材質(zhì)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于剪力銷本身材質(zhì)強(qiáng)度，以保證工裝保持必要的剛度，在試驗(yàn)工程中不變形、不損壞。

圖3 剪斷試驗(yàn)工裝示意圖

因設(shè)計(jì)剪斷試驗(yàn)剪斷力跨度較大，為保證剪斷力測(cè)試精度，估算剪斷力需處于試驗(yàn)機(jī)量程額定力的10%～80%。根據(jù)預(yù)估的剪斷力，針對(duì)預(yù)估剪斷力范圍分別采用不同的試驗(yàn)設(shè)備：剪斷力≤480 kN的試驗(yàn)方案采用CSS-4460二維電子萬能試驗(yàn)機(jī)[圖4(a)]進(jìn)行檢測(cè)；剪斷力>480 kN的試驗(yàn)方案采用450 t阻尼器試驗(yàn)臺(tái)[圖4(b)]進(jìn)行檢測(cè)。其中CSS-4460試驗(yàn)機(jī)量程為600 kN，精度為0.01 kN；450 t阻尼器試驗(yàn)臺(tái)量程為4 500 kN，精度為0.01 kN。

2.2 試驗(yàn)步驟

(1)將剪力銷按試驗(yàn)計(jì)劃內(nèi)容安裝至剪斷試驗(yàn)工裝，鋼套與剪力銷配套安裝，以適應(yīng)剪斷工裝。

(2)將裝好剪力銷的剪斷試驗(yàn)工裝置于試驗(yàn)機(jī)的承載板上，剪斷試驗(yàn)工裝中心與承載板中心位置對(duì)準(zhǔn)。

(3)正式加載。用加載裝置連續(xù)均勻地施加剪力(小試驗(yàn)工裝施加豎向壓力，大試驗(yàn)工裝施加水平拉力)，由專用的壓力傳感器記錄剪力大小，直到剪力銷剪斷。

(4)每組試驗(yàn)過程重復(fù)進(jìn)行3次，取3次試驗(yàn)平均值，作為該剪力工況的最終值。

(5)重復(fù)(1),(2),(3),(4)步驟并完成其他剪斷工況。

圖4 剪力銷剪斷試驗(yàn)

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析建議

根據(jù)上述試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，得到剪力銷載荷-位移曲線，該文僅給出雙排4根剪切直徑為10 mm剪力銷的剪斷載荷-位移曲線圖，如圖5所示，取載荷-位移曲線最大值獲得不同方案下的剪斷力數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 剪力銷載荷-位移曲線(雙排4根φ10 mm)

表1 不同剪力銷數(shù)量、不同剪切直徑、不同布置方式下剪力銷剪斷力試驗(yàn)結(jié)果

從圖5及表1可知：

(1)屈服前階段，剪力銷承載載荷隨著位移增加呈線性增長(zhǎng)；屈服階段，剪力銷承載載荷隨著位移增加而基本穩(wěn)定在一定區(qū)間范圍內(nèi)，直到達(dá)到最大值，進(jìn)而隨著位移的持續(xù)增加而突然減小，此時(shí)剪力銷已斷裂。在剪力銷剪斷后，因剪力銷剪斷切口并不是純平面，在剪力銷剪斷后切口相互頂?shù)帜Σ?，仍能提供一定的反力，但其峰值明顯小于剪斷力峰值。

(2)同一規(guī)格的剪力銷隨著數(shù)量的增加，其剪斷力都呈線性增長(zhǎng)。

(3)同等數(shù)量下隨著剪力銷剪斷直徑增大，其剪斷力呈平方關(guān)系增加。

(4)相同規(guī)格、相同數(shù)量時(shí)3種布置方式下的剪斷力差別很小，以剪切直徑20 mm規(guī)格為例，3種布置方式下剪斷力差異在5%以內(nèi)，考慮存在各種試驗(yàn)誤差因素，可認(rèn)為基本一致。

(5)經(jīng)計(jì)算，該批材料的剪斷強(qiáng)度為445 MPa左右，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算后抗拉強(qiáng)度約為770 MPa，對(duì)比可知該材料的極限剪切與極限抗拉強(qiáng)度比為1/1.71，與常規(guī)認(rèn)知的剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值符合很好。值得注意的是，對(duì)于需要在設(shè)定工況下必須剪斷的剪力銷結(jié)構(gòu)而言，宜以具體材料的實(shí)際極限剪斷強(qiáng)度來設(shè)計(jì)，而不是常規(guī)計(jì)算中剪切強(qiáng)度按拉伸屈服強(qiáng)度計(jì)算。另外，不同的金屬材料極限剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值是不固定的，且差距較大，該文不做深入討論。

4 總結(jié)與建議

闡述了剪力銷結(jié)構(gòu)對(duì)減隔震鋼支座的重要性，通過設(shè)計(jì)專用剪斷工裝對(duì)不同規(guī)格、不同數(shù)量以及不同布置方式下剪力銷的剪斷力進(jìn)行試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)剪斷結(jié)構(gòu)為整體時(shí)，剪力銷的剪斷力大小與數(shù)量呈線性關(guān)系，與剪斷直徑呈平方關(guān)系，剪力銷布置方式對(duì)剪斷力影響很小，基本可忽略不計(jì)。

(2)為保證剪力銷能在設(shè)計(jì)水平力下順利剪斷，支座剪力銷剪斷力應(yīng)采用極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)，考慮到每批材料的差異性，每批材料需要驗(yàn)證材料剪切強(qiáng)度。

(3)支座采用多剪力銷結(jié)構(gòu)時(shí)，剪力銷擋塊應(yīng)盡量保證足夠的強(qiáng)度與剛度，以使剪力銷受力均勻。

支座剪力銷擋塊應(yīng)盡量采用整體式設(shè)計(jì)，以保證剪力銷受力為純剪狀態(tài)，并且使得該支座結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)不論從哪個(gè)水平方向受力，剪力銷都可以在設(shè)計(jì)水平力條件下被剪斷，進(jìn)而發(fā)揮支座的減隔震功能。