新型多功能橋梁滑移—減隔震支座性能試驗(yàn)

茅建校+尹萬云+王浩+劉守誠+邵傳林+傅大放

摘要：針對傳統(tǒng)橋梁減隔震支座性能單一和無法滿足正常使用荷載及地震極端荷載等不同工況的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種新型多功能滑移-減隔震支座，通過理論分析與有限元模擬相結(jié)合的方式建立了該多功能支座的剪切性能曲線，并闡述了該曲線的力學(xué)特性及各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的意義。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了壓縮性能、剪切性能及其相關(guān)性試驗(yàn)。結(jié)果表明：新型多功能滑移-減隔震支座能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可同時(shí)滿足橋梁在正常使用階段的滑移和地震作用下的耗能要求；支座剪切性能曲線的有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，有限元分析得到的剪切性能曲線可有效描述其力學(xué)行為；所得結(jié)論為后續(xù)橋梁減隔震設(shè)計(jì)及動力時(shí)程分析提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：多功能滑移-減隔震支座；力學(xué)特性；有限元模擬；剪切性能曲線；試驗(yàn)研究

中圖分類號：U442 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

近年來，全球地震災(zāi)害頻發(fā)，給人類造成了慘重的生命財(cái)產(chǎn)損失[1]。橋梁作為交通線路上的樞紐，其損毀將給抗震救災(zāi)帶來巨大困難，使得橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能備受關(guān)注。傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計(jì)理念主要著眼點(diǎn)是強(qiáng)度設(shè)計(jì)，在增加材料耗費(fèi)量的同時(shí)，抗震能力不一定有所改善[2-3]。此后，經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究、實(shí)際工程建設(shè)以及多次強(qiáng)震的考驗(yàn)，以工程結(jié)構(gòu)控制理論為指導(dǎo)的結(jié)構(gòu)減隔震技術(shù)進(jìn)入了工程師們的視野，并因其在抗震方法、減震效果、安全性、經(jīng)濟(jì)性以及震后修復(fù)性等方面的優(yōu)勢而迅速發(fā)展。

減隔震支座為工程結(jié)構(gòu)減隔震中的常用裝置，不少科學(xué)家對此做出了一定的改進(jìn)和研究，如Constantinou等[4]考慮了聚四氟乙烯支座與螺旋彈簧組合使用的情況，并通過給定結(jié)構(gòu)的振動臺試驗(yàn)對支座的隔震性能進(jìn)行測試，獲得了支座的剪切性能滯回曲線等，但是其沒有考慮該組合隔震系統(tǒng)在正常使用時(shí)的適應(yīng)性；朱玉華等[5-9]針對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了減隔震研究，其中考慮了將夾層橡膠隔震支座和滑板摩擦支座并聯(lián)組合使用的情況，并分析了隔震結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及其地震響應(yīng)特性，然而上述研究均未涉及橋梁結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的組合隔震系統(tǒng)。就橋梁結(jié)構(gòu)而言，工程技術(shù)人員希望橋梁支座既能滿足正常使用狀態(tài)下的位移要求，又具有較好的耗能能力以減小橋梁結(jié)構(gòu)在遭受地震作用時(shí)的破壞。顯然，已有的絕大多數(shù)橋梁支座均難以同時(shí)滿足上述2個(gè)方面的要求，這方面的研究工作仍亟待加強(qiáng)。

本文中筆者根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營期間的受力特點(diǎn)，在綜合聚四氟乙烯滑板和鉛芯橡膠隔震支座各自優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制作了一種新型多功能滑移-減隔震支座，并且采用有限元分析及模型試驗(yàn)等方法對該支座力學(xué)性能進(jìn)行了深入的分析，以期為今后橋梁結(jié)構(gòu)的減隔震設(shè)計(jì)和動力時(shí)程分析提供參考。

1 新型多功能滑移-減隔震支座構(gòu)造

本文中所設(shè)計(jì)的多功能滑移-減隔震支座的上半部分為聚四氟乙烯-不銹鋼板滑移裝置，下半部分為LRB300型鉛芯橡膠隔震墊，具體參數(shù)如表1所示。在該支座上、下部分之間設(shè)置轉(zhuǎn)換裝置，由1個(gè)四面相圍的擋板構(gòu)成，可滿足上部結(jié)構(gòu)縱向30 mm、橫向20 mm的滑移量。支座整體構(gòu)造及加工成形模型如圖1，2所示。

2 支座力學(xué)行為理論及有限元分析

2.1 力學(xué)行為理論分析

滑移-減隔震支座包括上半部分的摩擦滑移隔震支座和下半部分的鉛芯橡膠隔震支座，其力學(xué)性能主要體現(xiàn)在滑移-隔震上，故有必要將二者分別進(jìn)行分析。

2.1.1 摩擦滑移隔震支座

摩擦滑移隔震支座在小位移（約為0.2 mm）時(shí)表現(xiàn)為接合面阻尼耗能，較大位移時(shí)為庫侖摩擦阻尼耗能，耗能效率較高[10]。接合面阻尼由小變形所產(chǎn)生，體現(xiàn)為靜摩擦力控制。當(dāng)接合面的受力達(dá)到靜摩擦力極限時(shí)，支座發(fā)生較大變形，動摩擦力開始發(fā)揮作用，體現(xiàn)出庫侖摩擦阻尼耗能特征[11]，其力-位移曲線如圖3所示[12-13]，其中，F(xiàn)為摩擦力，x為位移，F(xiàn)0為滑動摩擦力，由豎向壓力N和摩擦因數(shù)μf確定[14]。

2.1.2 鉛芯橡膠隔震支座

鉛芯橡膠隔震支座的力學(xué)特性主要體現(xiàn)在恢復(fù)力模型中，采用雙線性恢復(fù)力模型，其力-位移曲線見圖4，其中，Ki為初始剛度，Kd為屈服后剛度，Kh為水平等效剛度，Qd為屈服力。

2.2 支座剪切性能有限元分析

在理論分析的基礎(chǔ)上，利用ANSYS對滑移-減隔震支座進(jìn)行模擬與分析，得出其力-位移曲線，見圖5，其中，F(xiàn)′為剪力，Keq為等效水平剛度，K1，K2分別為隔震墊的屈服前剛度和屈服后剛度。滑移-減隔震支座剪切性能曲 線的分析工況如表2所示，其中，剪應(yīng)變?yōu)橄虏裤U芯橡膠墊的剪應(yīng)變，不包括上部摩擦滑移隔震裝置的滑移量。

由圖5可知：0～13均為支座受力變形曲線中的關(guān)鍵點(diǎn)，其中0為支座受力開始點(diǎn)；1為上部滑移支座的起滑點(diǎn)；2為支座滑移區(qū)的終結(jié)點(diǎn)，滑移-隔震的體系轉(zhuǎn)換裝置開始發(fā)揮作用，帶動下部隔震墊運(yùn)動；3為隔震墊內(nèi)部鉛芯屈服點(diǎn)；4為支座剪應(yīng)變達(dá)到100%的標(biāo)志點(diǎn)，開始受反向剪切力作用；5為隔震墊內(nèi)部鉛芯反向屈服點(diǎn)；6為隔震墊內(nèi)部鉛芯受力逐步減??；7表示開始退化為摩擦滑移隔震支座；過程8-13等同于過程2-7，支座的剪切性能不受支座受力方向的影響；當(dāng)支座受力達(dá)到點(diǎn)13時(shí)，即開始下一個(gè)滑移-隔震的受力過程；過程0-1，2-3，4-5均由隔震墊的屈服前剛度K1控制；過程3-4，5-6由隔震墊的屈服后剛度K2控制；過程1-2，7-8由摩擦滑移隔震裝置的動摩擦力控制；過程6-7由滑移裝置動、靜摩擦因數(shù)的變化控制；4與10連線的斜率可定義為該支座的等效水平剛度Keq。3 支座力學(xué)性能試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)加載裝置

試驗(yàn)在華中科技大學(xué)控制結(jié)構(gòu)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大型壓剪試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，壓剪試驗(yàn)機(jī)見圖6。該設(shè)備可提供25 MN的豎向最大加載力、2.8 MN的水平向最大加載力，最大作動行程為±600 mm。試驗(yàn)采用正弦波加載，通過調(diào)整正弦波的頻率、幅值來實(shí)現(xiàn)不同的加載工況。