彭立乾

(中鐵十八局集團第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

0 引言

城市輕軌交通系統(tǒng)最早起源于歐美國家，有利于解決城市交通問題。我國輕軌交通系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)日漸成熟，但其中仍然有很多的技術(shù)問題需要解決，其中鑄鋼支座的疲勞研究是保證整個PC軌道梁安全、穩(wěn)定、耐久性的關(guān)鍵。鑄鋼支座分為固定支座和活動支座，是連接PC軌道梁和橋墩的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)。鑄鋼支座承受來自上部結(jié)構(gòu)的橫向荷載、豎向荷載和扭矩的作用，受力形式復(fù)雜[1]。為了保證乘客乘車的舒適性和安全性，對鑄鋼支座提出了強度、耐久、疲勞等各項指標(biāo)應(yīng)當(dāng)有較高的要求[2]。尤其是對疲勞的要求比一般橋梁的支座都要嚴(yán)格，為此，本文對1組支座(活動支座和固定支座)進(jìn)行疲勞試驗，分析使用ZG275-485H材料制作的上下擺，45CrNiMoV材料制作的承壓板，40CrNiMo材料制作的錕軸的活動鋼支座和固定鋼支座是否都滿足疲勞性能，對每個支座進(jìn)行外部損傷識別，以及試件的應(yīng)力分析來判定支座的疲勞穩(wěn)定，為城市軌道交通PC軌道梁支座的材料選取提供了一種新的材料組合。

1 工程概況

重慶市軌道交通三號線工程中，采用了跨座式單軌PC軌道梁，其中上部結(jié)構(gòu)采用的是新型的跨度為22 m，曲線半徑為100 m的軌道梁，支座采用ZG275-485H材料制作的上下擺，45CrNiMoV材料制作的承壓板，40CrNiMo材料制作的錕軸的鋼支座，由于跨座式單軌交通在我國的研究資料比較少，因此，對PC軌道梁的鋼支座的疲勞研究就十分重要，為了對今后軌道梁的優(yōu)化設(shè)計提供更多的基礎(chǔ)資料，特進(jìn)行了本試驗[3]。

其中，鑄鋼支座按PC軌道梁線形分為直線支座和曲線支座兩類，每一類中按功能分為固定支座和活動支座兩種，均包含上下擺鑄鋼支座、基座、錨固螺栓等組成部件，設(shè)計結(jié)構(gòu)工作壽命100 a。它適用于城市軌道交通的跨座式單軌列車系統(tǒng)，承擔(dān)軌道梁所受到的列車荷載及PC梁自重荷載，長久地維持PC軌道梁處于單軌列車運營所需的線性狀態(tài)，并能承受一定的豎向、水平和扭轉(zhuǎn)力矩，具有良好的轉(zhuǎn)動、活動性能、耐疲勞及耐久性等[4]。

2 試驗概況

2.1 試驗內(nèi)容

活動支座和固定支座在相應(yīng)疲勞荷載作用下進(jìn)行設(shè)計疲勞荷載幅下300萬次疲勞試驗，并計算在0次、100萬次、200萬次、300萬次疲勞次數(shù)下活動支座和固定支座的上下擺、承壓板、錕軸的主應(yīng)力，并對每件試件整體試驗前后進(jìn)行外觀檢查及探傷試驗，其中檢測部位為上擺根部、下擺根部、承壓板、輥軸，示意圖詳如圖1。

2.2 試驗構(gòu)件材料參數(shù)

活動支座和固定支座的材料參數(shù)見表1。

圖1 疲勞荷載試驗示意圖

部件材料彈性模量E/GPa泊松比v屈服強度σ/MPa極限強度σ/MPa上擺根部ZG275-485H2020.3275484下擺根部ZG275-485H2020.3275484承壓板45CrNiMoV2100.31 3251 470錕軸40CrNiMo2080.3835980

2.3 試驗主要的儀器設(shè)備

試驗主要儀器有：電液伺服結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、千分表、靜態(tài)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、紅外測溫儀。

2.4 試驗荷載

疲勞荷載上限(單支座反力)：豎向荷載699 kN，橫向荷載37 kN，橫向扭矩105 kN·m。

疲勞荷載下限(單支座反力)：豎向荷載299 kN，橫向荷載16 kN，橫向扭矩45 kN·m。

疲勞荷載試驗上限(單支座反力)：700 kN，傾角3°，偏心15 cm。

疲勞荷載試驗下限(單支座反力)：300 kN，傾角3°，偏心15 cm。

3 試件應(yīng)力、疲勞理論分析

3.1 試件應(yīng)力的計算

在對活動支座和固定支座的應(yīng)變測試中，由于貼的是應(yīng)變花，應(yīng)變片之間的夾角為45°。由于測試儀器并不能直接測出支座測點的應(yīng)力，需要進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變的轉(zhuǎn)換，應(yīng)變花測的應(yīng)變有ε0，ε45，ε90，由式(1)～(3)：

εα1=εxcos2α1+εysin2α1+γxysinα1cosα1，

(1)

εα2=εxcos2α2+εysin2α2+γxysinα2cosα2，

(2)

εα3=εxcos2α3+εysin2α3+γxysinα3cosα3，

(3)

將0，45，90帶入式中的α1，α2，α3，求出εx，εy，γxy。εx，εy，γxy分別代表x平面，y平面的正應(yīng)變和剪切應(yīng)變，并由εx，εy，γxy求出最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變ε1，ε2。

(4)

(5)

最后，根據(jù)廣義虎克定律公式得出：

(6)

(7)

3.2 試件疲勞分析

本文以屈服強度失效準(zhǔn)則來判斷試件的疲勞破壞對屈服強度失效因子的計算[5-6]：

(8)

式中：σb為材料的屈服強度；σ∧(ti)為時間ti的有效應(yīng)力，當(dāng)SF<1時表示未疲勞破壞，SF=1時表示即將發(fā)生疲勞破壞。

4 試驗結(jié)果

4.1 活動支座的計算結(jié)果

1)活動支座的上下擺、承壓板、錕軸在0萬次的最大主應(yīng)力、屈服強度和屈服強度失效因子見表2。

2)活動支座的上下擺、承壓板、錕軸在100萬次的最大主應(yīng)力、屈服強度和屈服強度失效因子見表3。

表2 活動支座0萬次疲勞計算分析

表3 活動支座100萬次疲勞計算分析

3)活動支座的上下擺、承壓板、錕軸在200萬次的最大主應(yīng)力、屈服強度和屈服強度失效因子見表4。

表4 活動支座200萬次疲勞計算分析

4)活動支座的上下擺、承壓板、錕軸在300萬次的最大主應(yīng)力、屈服強度和屈服強度失效因子見表5。

表5 活動支座300萬次疲勞計算分析

4.2 固定支座的計算結(jié)果

1)固定支座的上下擺、錕軸在0萬次的最大主應(yīng)力、屈服強度和屈服強度失效因子見表6。

2)固定支座的上下擺、錕軸在100萬次的最大主應(yīng)力、屈服強度和屈服強度失效因子見表7。

表6 固定支座0萬次疲勞計算分析

表7 固定支座100萬次疲勞計算分析

3)固定支座的上下擺、錕軸在200萬次的最大主應(yīng)力、屈服強度和屈服強度失效因子見表8。

表8 固定支座200萬次疲勞計算分析

4)固定支座的上下擺、錕軸在300萬次的最大主應(yīng)力、屈服強度和屈服強度失效因子見表9。

表9 固定支座300萬次疲勞計算分析

5 檢測內(nèi)容及方法

1)支座尺寸檢測：在疲勞試驗前對固定支座和活動支座關(guān)鍵部位的尺寸進(jìn)行測量，這樣可以對支座變形前后的尺寸進(jìn)行比較，得到設(shè)計荷載下支座的疲勞變形，同時也可以判斷支座的制作工藝是否合格。可以用的測試器具：卡尺、投影儀。

2)探傷檢測：在疲勞試驗前對固定支座和活動支座的主要部位進(jìn)行檢測，可以用紅外線探傷儀器或者磁粉檢測法進(jìn)行檢測，在疲勞后對支座再次進(jìn)行損傷檢測，通過前后對比判斷支座是否產(chǎn)生損傷。

3)檢查支座在設(shè)計要求最大荷載下的位移情況，可以判斷支座是否發(fā)生了滑動側(cè)移或者轉(zhuǎn)動位移是否達(dá)到要求，以防止支座發(fā)生穩(wěn)定性破壞?？梢杂脩义N法、水準(zhǔn)儀直接測量法和水準(zhǔn)儀逐點測量法。主要使用的測量儀器有高精度水準(zhǔn)儀、傾斜儀、擾度檢測儀。

4)檢測支座在設(shè)計疲勞荷載幅下300萬次疲勞試驗測試中活動支座上擺、下擺、錕軸和承壓板等部件關(guān)鍵部位的應(yīng)力和位移，并測試完全卸荷時的殘余變形；疲勞試驗是在0次、100萬次、200萬次、300萬次疲勞次數(shù)后測試活動支座上擺、下擺、錕軸和承壓板等部件關(guān)鍵部位的應(yīng)力和位移。應(yīng)力測量可以用應(yīng)變片或者應(yīng)變花測量，位移測量可以使用高精度水準(zhǔn)儀、傾斜儀、擾度檢測儀。

6 結(jié)語

通過對PC軌道梁的活動支座和固定支座的0次、100萬次、200萬次、300萬次計算結(jié)果分析，得到如下的結(jié)論：

1)活動支座和固定支座通過屈服強度失效準(zhǔn)則分析，在0次、100萬次、200萬次、300萬次計算出來的屈服強度失效因子都小于1，因此，活動支座和固定支座在0次、100萬次、200萬次、300萬次的疲勞荷載試驗中并沒有發(fā)生疲勞破壞，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。

2)通過試驗分析固定支座在300萬次的最大主應(yīng)力最大，而活動支座在0次的最大主應(yīng)力最大，這和它們的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。

3)在試驗結(jié)束之后，通過對結(jié)構(gòu)的外觀損傷識別可以判斷出結(jié)構(gòu)表面并沒有裂痕，只有細(xì)微的壓痕，使用探傷儀器檢測出結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有產(chǎn)生裂縫，說明支座整體性能良好，試件的耐久性能良好。

4)使用ZG275-485H材料制作的上下擺，45CrNiMoV材料制作的承壓板，40CrNiMo材料制作的錕軸的活動鋼支座和固定鋼支座都滿足疲勞性能要求，具有很好的疲勞性能，能夠作為城市軌道橋梁的支座的優(yōu)先選擇。