桥梁低温反力设计

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本文作者：彭立群 林达文 刘立峰 王 进 单位：株洲时代新材料科技股份有限公司

桥梁支座是连接桥梁上部结构与桥墩台的重要部件，主要功能是将桥面承受的荷载(静载、动载及冲击荷载)传递给桥墩台，并使上部结构适应由于荷载、温度变化，混凝土收缩等产生的变形(水平位移及转角)，同时还可以减缓桥梁因荷载作用产生的振动。盆式橡胶支座在我国高速铁路和公路桥梁建设中得到了广泛应用。铁道部提出的TB/T2331以及欧洲EN1337等标准规定的竖向承载、水平摩擦等常规检测技术都已成熟，但低温反力矩试验受试验装备的制约一直无法实现。笔者通过设计一套试验装置和试验方案，解决了这一技术难题，不仅成功地对支座进行了低温反力矩试验，还总结出一套比较合理的试验方法和数据处理方法。

1盆式支座结构

盆式支座主要由底盆、橡胶垫和活塞3部分组成，按用途可分为固定型、横向型、纵向型和多向型4类，安装于桥梁上部结构与墩台之间。结构如图1所示。

2试验原理

试验前将2个支座在低温箱－70℃下冷冻72h，取出后以串联的方式迅速装配。试验中，首先施加恒定的竖向荷载，然后采用杠杆机构施加压转反力矩(图2)，利用具有闭环控制功能的荷载、位移采集系统完成反力矩—转角的测量，利用电偶传感器和温度测试仪完成橡胶垫芯部温度—时间特性的测量。

3试验装置设计

3.1结构设计通过分析试验原理得出具体的试验装置(图3)，该试验装置主要由机架、竖向加载、杠杆机构、侧向加载和低温测量5部分组成。机架为预应力钢筋混凝土结构(图4)。这种结构设计可节约大量金属，与钢铁框架式相比，可降低成本50%～60%。钢筋混凝土结构可以现场浇筑，操作方便，制造周期缩短一半以上，最大承载为52000kN。杠杆机构主要作用是将直线荷载转换成反力矩，同时起放大作用(图5)。低温测量部分主要由低温箱和温度测试仪2部分组成，试验时在支座的盆壁加工一通孔安装热电偶，通过温度显示仪记录橡胶芯部温度数据(图6)。

3.2强度计算利用达索公司有限元分析软件ABAQUS对工装和支座的静态特性求解，得出其内部的应力情况和变形状态，通过在PART模块中实体建模及在MESH模块中划分网格得出了分析模型(图7)。其中金属材料的弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3，橡胶块的硬度为60°(邵氏)，对应的参数设置为C10=0.47，C01=0.12，D1=0.0001。施加荷载在LOAD模块中进行，首先约束下底板6个自由度，然后对支座接触面施加压力，使压强达到35N/mm2(8315kN)，并始终保持不变，对转动板施加位移±8mm，形成±0.003rad转角(图8)。通过分析得出计算结果:首先施加的竖向荷载导致应力集中出现在上下橡胶垫芯部位置，最大应力为76.9MPa;当施加转动荷载时，应力由橡胶垫芯部向边缘扩散，底盆的最大应力出现在橡胶垫与活塞交叉处，试验工装的最大应力在允许范围，结构强度满足设计要求。

4应用

4.1试验方法首先施加垂向荷载Fz，使接触面压强达到35N/mm2，加载速率约为0.5(N/mm2)/s。通过力臂加载±0.03rad的正弦荷载，连续加载5个循环，频率0.3Hz≤f＜0.6Hz，以模拟运动荷载转角α。

4.2试验数据记录转动反力矩和转角(表1、图9)，记录橡胶垫的芯部温度变化(图10)。

4.3试验数据分析低温反力矩是桥梁支座重要性能参数，通过分析表1和图9的数据得出:反力矩与支座的承压面积、橡胶硬度成正比，且应变超过2/3时呈非线性。同时为了消除产品内应力和接触间隙，试验时需连续加载5次，取第5次数据为试验结果。

5结束语

1)合理的设计方案是完成盆式橡胶支座低温反力矩试验的关键，本文利用理论设计、仿真分析、试验验证三者相结合的方式达到了预期的目标。2)低温反力矩试验装置的成功研制，填补了国内桥梁支座试验技术领域一项空白。该试验工装综合效益显著，具有很好的推广应用价值。所总结的试验方法和数据处理方法对研制其他桥梁支座类产品具有一定参考价值。