PC轨道梁钢支座疲劳试验研究

彭立乾

(中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

0 引言

城市轻轨交通系统最早起源于欧美国家，有利于解决城市交通问题。我国轻轨交通系统的发展已经日渐成熟，但其中仍然有很多的技术问题需要解决，其中铸钢支座的疲劳研究是保证整个PC轨道梁安全、稳定、耐久性的关键。铸钢支座分为固定支座和活动支座，是连接PC轨道梁和桥墩的关键性结构。铸钢支座承受来自上部结构的横向荷载、竖向荷载和扭矩的作用，受力形式复杂[1]。为了保证乘客乘车的舒适性和安全性，对铸钢支座提出了强度、耐久、疲劳等各项指标应当有较高的要求[2]。尤其是对疲劳的要求比一般桥梁的支座都要严格，为此，本文对1组支座(活动支座和固定支座)进行疲劳试验，分析使用ZG275-485H材料制作的上下摆，45CrNiMoV材料制作的承压板，40CrNiMo材料制作的锟轴的活动钢支座和固定钢支座是否都满足疲劳性能，对每个支座进行外部损伤识别，以及试件的应力分析来判定支座的疲劳稳定，为城市轨道交通PC轨道梁支座的材料选取提供了一种新的材料组合。

1 工程概况

重庆市轨道交通三号线工程中，采用了跨座式单轨PC轨道梁，其中上部结构采用的是新型的跨度为22 m，曲线半径为100 m的轨道梁，支座采用ZG275-485H材料制作的上下摆，45CrNiMoV材料制作的承压板，40CrNiMo材料制作的锟轴的钢支座，由于跨座式单轨交通在我国的研究资料比较少，因此，对PC轨道梁的钢支座的疲劳研究就十分重要，为了对今后轨道梁的优化设计提供更多的基础资料，特进行了本试验[3]。

其中，铸钢支座按PC轨道梁线形分为直线支座和曲线支座两类，每一类中按功能分为固定支座和活动支座两种，均包含上下摆铸钢支座、基座、锚固螺栓等组成部件，设计结构工作寿命100 a。它适用于城市轨道交通的跨座式单轨列车系统，承担轨道梁所受到的列车荷载及PC梁自重荷载，长久地维持PC轨道梁处于单轨列车运营所需的线性状态，并能承受一定的竖向、水平和扭转力矩，具有良好的转动、活动性能、耐疲劳及耐久性等[4]。

2 试验概况

2.1 试验内容

活动支座和固定支座在相应疲劳荷载作用下进行设计疲劳荷载幅下300万次疲劳试验，并计算在0次、100万次、200万次、300万次疲劳次数下活动支座和固定支座的上下摆、承压板、锟轴的主应力，并对每件试件整体试验前后进行外观检查及探伤试验，其中检测部位为上摆根部、下摆根部、承压板、辊轴，示意图详如图1。

2.2 试验构件材料参数

活动支座和固定支座的材料参数见表1。

图1 疲劳荷载试验示意图

部件材料弹性模量E/GPa泊松比v屈服强度σ/MPa极限强度σ/MPa上摆根部ZG275-485H2020.3275484下摆根部ZG275-485H2020.3275484承压板45CrNiMoV2100.31 3251 470锟轴40CrNiMo2080.3835980

2.3 试验主要的仪器设备

试验主要仪器有：电液伺服结构系统、千分表、静态数据记录系统、红外测温仪。

2.4 试验荷载

疲劳荷载上限(单支座反力)：竖向荷载699 kN，横向荷载37 kN，横向扭矩105 kN·m。

疲劳荷载下限(单支座反力)：竖向荷载299 kN，横向荷载16 kN，横向扭矩45 kN·m。

疲劳荷载试验上限(单支座反力)：700 kN，倾角3°，偏心15 cm。

疲劳荷载试验下限(单支座反力)：300 kN，倾角3°，偏心15 cm。

3 试件应力、疲劳理论分析

3.1 试件应力的计算

在对活动支座和固定支座的应变测试中，由于贴的是应变花，应变片之间的夹角为45°。由于测试仪器并不能直接测出支座测点的应力，需要进行应力与应变的转换，应变花测的应变有ε0，ε45，ε90，由式(1)～(3)：

εα1=εxcos2α1+εysin2α1+γxysinα1cosα1，

(1)

εα2=εxcos2α2+εysin2α2+γxysinα2cosα2，

(2)

εα3=εxcos2α3+εysin2α3+γxysinα3cosα3，

(3)

将0，45，90带入式中的α1，α2，α3，求出εx，εy，γxy。εx，εy，γxy分别代表x平面，y平面的正应变和剪切应变，并由εx，εy，γxy求出最大主应变和最小主应变ε1，ε2。

(4)

(5)

最后，根据广义虎克定律公式得出：

(6)

(7)

3.2 试件疲劳分析

本文以屈服强度失效准则来判断试件的疲劳破坏对屈服强度失效因子的计算[5-6]：

(8)

式中：σb为材料的屈服强度；σ∧(ti)为时间ti的有效应力，当SF<1时表示未疲劳破坏，SF=1时表示即将发生疲劳破坏。

4 试验结果

4.1 活动支座的计算结果

1)活动支座的上下摆、承压板、锟轴在0万次的最大主应力、屈服强度和屈服强度失效因子见表2。

2)活动支座的上下摆、承压板、锟轴在100万次的最大主应力、屈服强度和屈服强度失效因子见表3。

表2 活动支座0万次疲劳计算分析

表3 活动支座100万次疲劳计算分析

3)活动支座的上下摆、承压板、锟轴在200万次的最大主应力、屈服强度和屈服强度失效因子见表4。

表4 活动支座200万次疲劳计算分析

4)活动支座的上下摆、承压板、锟轴在300万次的最大主应力、屈服强度和屈服强度失效因子见表5。

表5 活动支座300万次疲劳计算分析

4.2 固定支座的计算结果

1)固定支座的上下摆、锟轴在0万次的最大主应力、屈服强度和屈服强度失效因子见表6。

2)固定支座的上下摆、锟轴在100万次的最大主应力、屈服强度和屈服强度失效因子见表7。

表6 固定支座0万次疲劳计算分析

表7 固定支座100万次疲劳计算分析

3)固定支座的上下摆、锟轴在200万次的最大主应力、屈服强度和屈服强度失效因子见表8。

表8 固定支座200万次疲劳计算分析

4)固定支座的上下摆、锟轴在300万次的最大主应力、屈服强度和屈服强度失效因子见表9。

表9 固定支座300万次疲劳计算分析

5 检测内容及方法

1)支座尺寸检测：在疲劳试验前对固定支座和活动支座关键部位的尺寸进行测量，这样可以对支座变形前后的尺寸进行比较，得到设计荷载下支座的疲劳变形，同时也可以判断支座的制作工艺是否合格。可以用的测试器具：卡尺、投影仪。

2)探伤检测：在疲劳试验前对固定支座和活动支座的主要部位进行检测，可以用红外线探伤仪器或者磁粉检测法进行检测，在疲劳后对支座再次进行损伤检测，通过前后对比判断支座是否产生损伤。

3)检查支座在设计要求最大荷载下的位移情况，可以判断支座是否发生了滑动侧移或者转动位移是否达到要求，以防止支座发生稳定性破坏。可以用悬锤法、水准仪直接测量法和水准仪逐点测量法。主要使用的测量仪器有高精度水准仪、倾斜仪、扰度检测仪。

4)检测支座在设计疲劳荷载幅下300万次疲劳试验测试中活动支座上摆、下摆、锟轴和承压板等部件关键部位的应力和位移，并测试完全卸荷时的残余变形；疲劳试验是在0次、100万次、200万次、300万次疲劳次数后测试活动支座上摆、下摆、锟轴和承压板等部件关键部位的应力和位移。应力测量可以用应变片或者应变花测量，位移测量可以使用高精度水准仪、倾斜仪、扰度检测仪。

6 结语

通过对PC轨道梁的活动支座和固定支座的0次、100万次、200万次、300万次计算结果分析，得到如下的结论：

1)活动支座和固定支座通过屈服强度失效准则分析，在0次、100万次、200万次、300万次计算出来的屈服强度失效因子都小于1，因此，活动支座和固定支座在0次、100万次、200万次、300万次的疲劳荷载试验中并没有发生疲劳破坏，结构稳定安全。

2)通过试验分析固定支座在300万次的最大主应力最大，而活动支座在0次的最大主应力最大，这和它们的结构形式有关。

3)在试验结束之后，通过对结构的外观损伤识别可以判断出结构表面并没有裂痕，只有细微的压痕，使用探伤仪器检测出结构内部没有产生裂缝，说明支座整体性能良好，试件的耐久性能良好。

4)使用ZG275-485H材料制作的上下摆，45CrNiMoV材料制作的承压板，40CrNiMo材料制作的锟轴的活动钢支座和固定钢支座都满足疲劳性能要求，具有很好的疲劳性能，能够作为城市轨道桥梁的支座的优先选择。