夏修身，張穎周，杜 騫

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 甘肅恒達(dá)路橋工程集團(tuán)有限公司，蘭州 730070)

梁體在豎向荷載下將發(fā)生撓曲變形，需要支座產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)角來(lái)滿足梁端轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)支座的轉(zhuǎn)動(dòng)性能不足時(shí)會(huì)發(fā)生支座的轉(zhuǎn)動(dòng)脫空[1]，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)一定的影響[2].板式橡膠支座需進(jìn)行轉(zhuǎn)角試驗(yàn)，以測(cè)定其轉(zhuǎn)動(dòng)性能是否滿足橋梁使用要求.與板式橡膠支座的轉(zhuǎn)動(dòng)原理相似，金屬橡膠支座以金屬橡膠的不均勻彈性壓縮適應(yīng)豎向荷載引起的梁體轉(zhuǎn)動(dòng)，屬于彈性轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度[3-4].轉(zhuǎn)動(dòng)剛度會(huì)帶來(lái)橋梁計(jì)算圖示的改變、給主梁的受力帶來(lái)不利影響[5].

金屬橡膠廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事裝備及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[6].金屬橡膠構(gòu)件方面的研究也主要集中在小構(gòu)件的豎向壓縮性能方面，沒有涉及到轉(zhuǎn)動(dòng)性能[7-9].金屬橡膠橋梁支座是一種新型材料支座，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)性能有一定的要求，目前針對(duì)此開展的研究文獻(xiàn)較少[10-13].因此，開展大尺寸金屬橡膠支座的轉(zhuǎn)動(dòng)性能試驗(yàn)研究，具有重要的理論及實(shí)際意義.

文中開展了金屬橡膠支座轉(zhuǎn)動(dòng)性能力學(xué)試驗(yàn)研究，討論了豎向壓力對(duì)支座轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影響，考查了轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與初始?jí)簯?yīng)力的關(guān)系.

1 支座轉(zhuǎn)動(dòng)性能測(cè)試原理

金屬橡膠支座采用與板式橡膠支座相同的外部結(jié)構(gòu)，但將板式橡膠支座中的天然橡膠及約束鋼板替換成金屬橡膠[11].與板式橡膠支座一樣，金屬橡膠支座利用支座中金屬橡膠的不均勻彈性壓縮適應(yīng)豎向荷載引起的梁體轉(zhuǎn)動(dòng).

為測(cè)試金屬橡膠支座轉(zhuǎn)動(dòng)性能，根據(jù)支座的轉(zhuǎn)動(dòng)原理，本文設(shè)計(jì)的支座轉(zhuǎn)角-轉(zhuǎn)動(dòng)力矩關(guān)系測(cè)試方案，如圖1所示.

圖1 支座轉(zhuǎn)動(dòng)性能測(cè)試原理Fig.1 Test principle of bearing rotation performance

對(duì)圖1中的剛性梁施加集中力P，剛性梁下的支座發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，支座轉(zhuǎn)角θ與剛性梁轉(zhuǎn)角大小相等.

轉(zhuǎn)角的正切值按下式計(jì)算：

(1)

轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩按下式計(jì)算：

M=P×L.

(2)

圖中及式中：tanθ為轉(zhuǎn)角正切值；Δ1為N1處的變形值；Δ2為N2處的變形值；L為轉(zhuǎn)動(dòng)力臂.

2 試驗(yàn)概況

2.1 模型設(shè)計(jì)

本文參考板式橡膠支座的系列規(guī)格，設(shè)計(jì)并加工了3個(gè)支座模型(如圖2所示) ，3個(gè)支座模型均采用304奧氏體不銹鋼絲、絲徑為0.5 mm.支座的設(shè)計(jì)尺寸為d160×42、即直徑為160 mm、高度為42 mm，成型后的主要參數(shù)如表1所列、與設(shè)計(jì)尺寸稍有差異.為考查相對(duì)密度的影響，設(shè)計(jì)中采用了三種不同相對(duì)密度.相對(duì)密度為支座密度與金屬絲密度比值.

2.2 試驗(yàn)裝置及加載工況

試驗(yàn)裝置如圖3所示.轉(zhuǎn)動(dòng)荷載由豎向千斤頂施加，支座承受的豎向初始荷載也由放置在支座中心處的千斤頂施加，為了使支座與剛梁轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)支座豎向壓力保持恒定，在支座上方設(shè)置了鉸.

圖2 金屬橡膠支座模型Fig.2 Mental rubber bearing model

表1 支座參數(shù)

試驗(yàn)時(shí)采取位移控制，機(jī)電百分表采集位移、壓力傳感器采集力.試驗(yàn)測(cè)試了支座在豎向壓力分別為：50 kN、100 kN、150 kN、200 kN、250 kN及280 kN下的轉(zhuǎn)動(dòng)性能，其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)支座壓應(yīng)力分別為：2.5～14 MPa.

圖3 支座轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Bearing rotation test equipment

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

試驗(yàn)中3個(gè)支座的轉(zhuǎn)角均達(dá)到了0.02 rad、且沒有發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)脫空，試驗(yàn)后支座的不均勻壓縮變形完全恢復(fù)，滿足了國(guó)內(nèi)外規(guī)范中轉(zhuǎn)角大于0.33% rad的要求[14].

3.1 鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)摩阻測(cè)試

為了后文轉(zhuǎn)動(dòng)力矩分析時(shí)扣除鉸摩擦的影響，文中測(cè)試了6種豎向荷載下鉸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)摩阻力矩，如圖4所示.

圖4 鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線Fig.4 Curve of relationship between rotation moment and rotation angle of hinge

圖4中，鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線隨豎向壓力不同而變化，但都可分為靜摩擦階段與動(dòng)摩擦階段.靜摩擦階中段轉(zhuǎn)動(dòng)力矩隨轉(zhuǎn)角的快速增加速最大值，而動(dòng)摩擦階段時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度保持為一常數(shù).

3.2 支座的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系

3個(gè)支座在豎向壓應(yīng)力為10 MPa(豎向力為200 kN)下的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系，如圖5～7所示.

由圖7可見，轉(zhuǎn)動(dòng)加載曲線也可以分為兩個(gè)階段，第一段為O點(diǎn)到A點(diǎn)：主要由鉸摩擦力矩貢獻(xiàn)，第二段為AB段：近似為直線段、代表支座的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，這表明在給定初始?jí)毫ο轮ё霓D(zhuǎn)動(dòng)剛度也為定值.

圖5 A1支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線Fig.5 Curve of rotation moment and angle of A1 bearing

圖6 A2支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線Fig.6 Curve of rotation moment and angle of A2 bearing

圖7 A3支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線Fig.7 Curve of rotation moment and angle of A3 bearing

為考查豎向壓力對(duì)支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線的影響，進(jìn)行了不同豎向壓力下支座的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線的測(cè)試，結(jié)果如圖8～10所示及如表2所列.圖中的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線未扣除鉸的摩擦力矩，而表2中的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩扣除了鉸摩擦力矩.

圖8 A1支座的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線Fig.8 Curve of rotation moment and angle of A1 bearing

圖9 A2支座的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線Fig.9 Curve of rotation moment and angle of A2 bearing

圖10 A3支座的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線Fig.10 Curve of rotation moment and angle of A3 bearing

由圖8～圖10及表2可以看出，支座的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度隨豎向壓力的增大而增加.這是因?yàn)?，支座以不均勻壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，壓應(yīng)力的合力中心偏移，這就相當(dāng)于支座受到一個(gè)力矩作用，轉(zhuǎn)動(dòng)后支座的應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，從而影響支座的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度.三個(gè)支座具有相同的規(guī)律.由表2還可以看出，相同的豎向壓力下，三個(gè)支座的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度相差較大，其中相對(duì)密度最大的A1支座轉(zhuǎn)動(dòng)剛度最大、A2支座最小、A3支座介于兩者之間.由于A2支座的相對(duì)密度大于A3支座，因此，相對(duì)密度對(duì)支座轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影響相對(duì)復(fù)雜.

3.3 轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與豎向壓應(yīng)力關(guān)系

3個(gè)支座的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與支座初始豎向壓應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖11所示.

表2 支座的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與轉(zhuǎn)角

圖11 轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與初始應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.11 Curve of rotational stiffness and initial stress

為了探討初始?jí)簯?yīng)力與支座轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的關(guān)系，對(duì)圖中各支座的試驗(yàn)值進(jìn)行了曲線擬合，擬合的公式及其主要參數(shù)如式(3)所示及如表3所列.

Km=kσ·σ0+K0.

(3)

式中：Km為轉(zhuǎn)動(dòng)剛度；kσ為系數(shù)；σ0為初始?jí)簯?yīng)力值；K0為初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度.

表3 轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與初始應(yīng)力關(guān)系擬合參數(shù)

由圖11及式(3)可知，三個(gè)支座的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度都隨初始?jí)簯?yīng)力的呈線性增大，公式中的系數(shù)不同表明：轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與初始?jí)簯?yīng)力的線性關(guān)系還受相對(duì)密度及形狀系數(shù)的影響.

4 結(jié)論

1) 金屬橡膠支座的轉(zhuǎn)角可達(dá)0.02 rad、不宜發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)脫空，能夠滿足橋梁對(duì)支座轉(zhuǎn)動(dòng)性能的要求，具有較好轉(zhuǎn)動(dòng)性.

2) 在恒定初始豎向壓力下金屬橡膠支座的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為定值.

3) 金屬橡膠支座的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度隨初始豎向壓力的增大而增加，有明顯的線性關(guān)系.

4) 對(duì)金屬橡膠支座的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與初始豎向壓應(yīng)力的關(guān)系曲線進(jìn)行了數(shù)值擬合，給出了擬合公式，可用于轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的預(yù)測(cè).