桥梁速度锁定器性能试验方案设计及应用

潘锋 彭立群 林达文 韩鹏飞 刘立峰

1.中国合格评定国家认可中心，北京 100062；2.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007；3.国家轨道交通高分子材料及制品质量监督检验中心（湖南），湖南 株洲 412007

在桥梁连续梁中采用速度锁定器（lock⁃up device，LUD）可使纵向地震力由多个连续梁主墩共同承受，从而减小主墩体积。LUD作为桥梁结构中重要的部件，其性能不仅影响桥梁的安全性，而且会影响桥梁的隔震性能。随着“一带一路”倡议的实施，LUD开始应用于国外桥梁建设。由于国内外测试标准不同，因此有必要对LUD进行试验研究。

LUD在使用前必须对其力学性能进行检测，尤其是模拟动态和超载性能。目前对LUD的研究大都局限于理论计算和仿真分析，具体且系统的试验研究鲜有涉及。本文以国内一企业送检的一种LUD为研究对象，设计一种新型的试验方案对LUD性能进行研究，为改善桥梁结构的安全性提供参考。

1 速度锁定器

由于LUD（图1）是能量传递装置，不是耗能装置，因此LUD在慢速工作时速度锁定器阀门开启，只产生很小的作用力。达到设计锁定速度时，阀门迅速关闭，实现锁定［1］。

图1 LUD结构

LUD安装方式分为锁定支座和直接安装（图2），其中锁定支座采用2个LUD安装在普通单向滑动型支座两侧，运动方式是将活塞杆固定，缸体前后运动，实现单向滑动和固定支座的功能转换。直接安装是将LUD成组安装于桥梁的桥墩和梁体之间，是在锁定支座的基础上增加连接套、丝杆、消隙环和连接块。运动方式是将缸体固定，活塞杆前后运动，试验时可同时施加推拉力。LUD在正常工况下为柔性连接，在地震工况下为刚性连接，进而实现主墩共同承受荷载的目的。

图2 LUD安装方式

2 试验内容

2.1 试验标准

欧盟标准EN 15129—2009《Isolation Device》［2］规定了速度锁定器、液压阻尼器等桥梁减振产品的生产控制和试验内容。该标准5.3.4条款中详细规定了速度锁定器的试验项目和内容，是目前世界各国的主要指导性标准。一般依据标准要求，结合速度锁定器的结构和使用工况，起草相应的产品试验大纲进行试验［3-6］。

2.2 试验样品

本次试验采用的LUD型号为LUD375/±100，设计荷载为375 kN，设计行程为±100 mm。

2.3 试验方案

LUD力学性能试验包括慢速性能、快速性能、模拟动态和超载试验。为了满足不同设计荷载LUD试验精度的要求，设计不同类型的加载试验。试验按加载方式分为剪切式和推拉式；按设计荷载分为大荷载和小荷载，其中大荷载试验范围为500～4500 kN，小荷载试验范围为50～500 kN。剪切式是将LUD以水平方式安装于2500 t二维加载试验机上进行剪切试验。LUD缸体通过下安装座固定于试验机下平台，活塞杆通过上安装座固定于上平台，试验机垂向油缸保持安装高度不变，利用水平油缸施加位移对LUD进行试验。推拉式分水平小荷载、垂直小荷载和水平大荷载3种。

1）水平小荷载。为了满足LUD小荷载精度测试的要求，在水平加载试验机上进行试验。将LUD水平放置，在前端和尾部安装反力座，并通过T形螺栓与试验平台固定，利用常规液压油缸对LUD施加水平推拉荷载或位移进行性能测试，见图3（a）。该方式结构简单、安装方便，但所有的水平作用力均由单一的反力座承受，且两个反力座之间没有形成力的闭环，无法承受较大的水平荷载，测试荷载范围为50～100 kN。

2）垂直小荷载。将LUD以垂直方式放置，通过上下固定座安装于16通道组合加载试验机中心位置，LUD的下端固定于试验机T形平台，通过试验机上置导向横梁和加载油缸对LUD施加动态荷载，见图3（b）。该方式适用小吨位LUD的性能测试，不仅满足了性能测试要求，而且大大提高了荷载的测试精度，测试荷载范围150～500 kN，最大位移±150 mm，试验精度±1%。

图3 小荷载性能试验

3）水平大荷载。试验设计将LUD水平方式放置在一个独立卧式结构的加载试验机中（图4），试验机的固定端和加力端通过两侧导柱形成力的闭环，可满足大荷载加载试验要求。试验机中间动横梁沿导柱水平方向前后运动，可满足不同长度LUD的试验要求，最大测试荷载为4500 kN。为了满足两端没有专用拉力结构LUD的试验要求，在进行大荷载试验时分改进前和改进后2种方式。

图4 大荷载性能试验

改进前采用LUD自身的螺纹接口与连接块装配进行试验［图5（a）］，这种方式仅适用于单向压缩荷载的慢速试验，无法满足拉伸和压缩的模拟动态和超载试验要求。改进后试验装置由450 t液压加载试验机和专用工装组成［图5（b）］。其中试验机由固定座、主油缸、导柱、调节油缸、底座、夹紧缸、动横梁和荷载传感器组成，试验最大静载±450 t，最大动载±350 t，最大行程±600 mm。专用工装主要由连接板、连接螺栓、锁紧环、定位螺栓和LUD组成，见图6。LUD首先通过定位螺栓固定于两端连接板，然后通过两半结构的锁紧环分别锁紧速度锁定器两端结构后，通过螺栓将锁紧环固定于连接板上，达到增加连接强度的目的。

图5 试验方案

图6 专用工装

综上，结合LUD375/±100结构和测量要求可知，水平加载方式虽然能获得更大的安装空间，但是荷载量程和测试精度无法满足试验要求，且水平加载有最小安装距离（大于1 m）的特殊要求。若小型LUD采用水平安装方式会在加载过程中失稳。因此，垂直小荷载方案更适合该类型LUD性能试验。

3 试验结果

3.1 慢速性能试验

3.1.1 试验方法

水平以0.01 mm/s的速度对LUD施加±100 mm变形，经历一次完整连续的循环且荷载稳定为止。记录荷载-位移曲线、荷载-时间曲线。要求在加载过程中无泄漏和卡滞现象，作用力不超过设计荷载的10%。

3.1.2 结果分析

慢速性能试验荷载曲线见图7。

图7 慢速性能试验荷载曲线

由图7（a）可知：位移在0～10 mm时，荷载随位移快速增加，在10～20 mm时缓慢递增，位移大于23 mm后荷载趋于平稳。这表明加载初期由于试验连接件的间隙、缸内硅脂压缩量大，荷载上升较快，到加载LUD中间位置各种间隙已消除，压缩空间变小而介质体积不变，导致荷载变化较小。此时的作用力促使活塞杆开始产生滑移，最大作用力为32.5 kN。加载后期活塞杆持续滑移，荷载不再上升且保持稳定。

由图7（b）可知：在加载初期（0～2500 s），荷载随时间递增，在2500 s后达到稳定值32.5 kN，此后有5000 s的保载状态，即时间增加而荷载保持不变。反向加载时有同样的特性。这表明LUD具有较好的正反向承载性能，且在慢速运动过程中存在比较稳定的作用力。

慢速性能试验的作用力是保持桥梁正常纵向位移的重要参数，该值不能太大也不太小。作用力太大，导致纵向位移无法释放，不能满足正常使用要求；作用力太小，导致纵向位移过大，从而形成对桥墩的纵向冲击。本次试验LUD慢速作用力为32.5 kN，小于设计值37.5 kN，表明LUD具有较好的慢速性能。

3.2 快速性能试验

3.2.1 试验方法

在2 s内对LUD施加375 kN荷载，分别进行拉伸和压缩试验，连续加载4个循环，记录荷载-位移曲线、荷载-时间曲线。试验过程中LUD不得出现渗漏、屈服、破坏等现象，LUD的锁定位移小于12 mm。

3.2.2 结果分析

快速性能试验荷载曲线见图8。可知，LUD的荷载随位移呈线性递增，且正反加载对称性较好。从零荷载到最大荷载的位移为11 mm，且LUD未出现渗漏、屈服、破坏等现象，这表明LUD能够实现快速锁定，且锁定位移小于12 mm。LUD在快速加载过程中，荷载随时间的变化比较对称且曲线光滑，这表明LUD内部的结构设计满足快速加载试验要求。

图8 快速性能试验荷载曲线

3.3 模拟动态试验

3.3.1 试验方法

在0.5 s内施加375 kN拉力荷载，在5.0 s内保持此荷载；然后在1.0 s内施加反方向力375 kN，在5.0 s内保持此荷载，再在1.0 s内卸载，循环3次。记录荷载-位移曲线、荷载-时间曲线，试验过程要求没有泄漏、卡滞现象；从零荷载到最大荷载的位移不超过12 mm；首个循环中荷载稳定阶段的位移不超过12 mm。

3.3.2 结果分析

模拟动态试验荷载曲线见图9。可知：①LUD在首个加载循环中位移小于8 mm时荷载随位移快速递增，位移在8～20 mm时LUD处于保载状态，在后续的2个加载循环中呈同样的规律。②LUD在0.5 s达到了设计荷载375 kN，此后5.0 s处于保载状态；在反向加载和后续的2个循环中曲线光滑、对称、无异常。从零荷载到最大荷载的位移为8 mm，首个循环中荷载稳定阶段的位移没有超过12 mm，这表明LUD在模拟动态试验过程中能够在规定时间内快速达到设计荷载，且能保持荷载的稳定。

图9 模拟动态试验荷载曲线

3.4 超载试验

3.4.1 试验方法

在1 s内对LUD施加413 kN荷载使其锁定，在15 s内保持荷载。记录荷载-位移曲线、荷载-时间曲线。试验过程不得有任何渗漏和卡滞现象。

3.4.2 结果分析

超载试验荷载曲线见图10。可知，LUD在位移9.5 mm时达到了1.5倍设计荷载，且持续了15 s的保载状态。一方面表明速度锁定器缸体内硅脂具有一定的过载压缩和自由恢复能力，密封件具有较好的超载密封性能；另一方面表明LUD的金属件缸体、活塞杆和端盖的结构强度具有一定的安全储备，同时能够实现过载工况下快速锁定和保载功能。

图10 超载试验荷载曲线

4 结语

本文采用推拉式垂直小荷载的方式进行各项试验，试验设计满足要求。该种结构速度锁定器慢速作用力为32.5 kN，能实现快速锁定且位移小于12 mm，模拟动态测试时零荷载到最大荷载的位移为8 mm，且能够在规定时间内快速达到设计荷载，保持荷载的稳定。超载试验未出现渗漏和卡滞现象。试验装置具有一定的实用推广价值。