橫向減隔震裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

張銀喜，孔令俊，陳彥北，王小波，郝紅肖

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

橫向減隔震裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

張銀喜，孔令俊，陳彥北，王小波，郝紅肖

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

利用防落梁裝置的構(gòu)造形式，以一斜拉橋?yàn)閼?yīng)用對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套具備縱向可滑、橫向減隔震裝置。對(duì)所用鋼材進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，并獲得了可供數(shù)值仿真使用的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，通過(guò)有限元數(shù)值仿真分析實(shí)現(xiàn)了縮比裝置的虛擬設(shè)計(jì)。為驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性，利用壓剪試驗(yàn)機(jī)對(duì)縮比裝置進(jìn)行了最大橫向位移為100 mm的周期位移試驗(yàn)。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的縮比裝置能夠滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的要求；有限元仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可準(zhǔn)確地對(duì)變形區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)。

減隔震裝置；橋梁：金屬阻尼器；數(shù)值仿真；壓剪試驗(yàn)

自1972年，文獻(xiàn)［1］提出利用金屬阻尼器吸收結(jié)構(gòu)能量的方法至今，各國(guó)研究人員已研發(fā)出了眾多不同結(jié)構(gòu)形式的金屬阻尼器。然而這些裝置一般并不具備普遍適用性，針對(duì)不同的使用條件需進(jìn)行改造，甚至要全新設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［2］中通過(guò)對(duì)一斜拉橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析表明，在處于高烈度區(qū)的橋梁使用縱向速度鎖定器+橫向耗能減震裝置組合式減隔震方案能夠使該橋抗震性能滿(mǎn)足規(guī)范要求。本文根據(jù)防落梁裝置［3］結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用有限元數(shù)值仿真技術(shù)設(shè)計(jì)了一種縱向可滑、橫向減隔震裝置。

1　裝置參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)［4］的規(guī)定，一般情況下減隔震橋梁抗震分析宜采用非線(xiàn)性動(dòng)力時(shí)程分析方法。通過(guò)Midas/Civil對(duì)某7跨斜拉橋在地震波作用下的時(shí)程分析計(jì)算可知，每個(gè)墩的橫向減隔震裝置（見(jiàn)圖1）能夠提供8 000 kN的橫向屈服力，且最大橫向位移［5］為300 mm。

圖1　橫向減隔震裝置（單位：mm）

橫向減隔震裝置主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　單套橫向減隔震裝置性能參數(shù)

2　縮比裝置設(shè)計(jì)

由于上述橫向減隔震裝置的性能參數(shù)已超過(guò)現(xiàn)有設(shè)備的試驗(yàn)?zāi)芰Γ时疚牟捎每s比模型方法，利用有限元仿真分析進(jìn)行了縮比裝置虛擬設(shè)計(jì)，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了評(píng)估。

2.1材料參數(shù)測(cè)試

目前，國(guó)內(nèi)鋼阻尼裝置一般采用塑性較好的Q235或Q345低合金高強(qiáng)度鋼［6］。此類(lèi)材料變形能力較強(qiáng)，環(huán)境和溫度對(duì)其性能沒(méi)有顯著影響［7］。為保證橫向減隔震裝置的力學(xué)性能符合文獻(xiàn)［8］中規(guī)定的屈服力誤差范圍不超過(guò)設(shè)計(jì)值±15%的要求，在阻尼元件設(shè)計(jì)之前，按照文獻(xiàn)［9］的規(guī)定從待加工阻尼元件的鋼板上取樣，并利用株洲電力機(jī)車(chē)研究所新材料檢測(cè)中心電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)按照要求進(jìn)行測(cè)試。

拉斷后的試樣見(jiàn)圖2，試樣斷口位置可見(jiàn)明顯頸縮，具有典型的塑性斷裂特征。

圖2　斷裂后的試樣

拉伸試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。由于所測(cè)曲線(xiàn)為名義應(yīng)力-名義應(yīng)變曲線(xiàn)，而Abaqus仿真分析中需輸入從真實(shí)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線(xiàn)提取的特征點(diǎn)，故按照文獻(xiàn)［10］中的公式對(duì)所測(cè)曲線(xiàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并按其提供的方法選取數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元仿真分析，應(yīng)力（變）轉(zhuǎn)換公式見(jiàn)式（1）、式（2）。為準(zhǔn)確測(cè)量，共測(cè)試了3個(gè)試樣。

圖3　拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

式中：εtrue，εnom分別為真實(shí)應(yīng)變、名義應(yīng)變；σtrue，σnom分別為真實(shí)應(yīng)力、名義應(yīng)力。

2.2裝置設(shè)計(jì)

雙弧形阻尼元件與實(shí)際產(chǎn)品的尺寸比例為1∶3，縮比裝置中含有2個(gè)阻尼元件，試驗(yàn)樣品見(jiàn)圖4。當(dāng)試驗(yàn)裝置首次達(dá)到最大橫向位移Dmax=100 mm時(shí)整體等效塑性應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖5（a），阻尼元件中的等效塑性應(yīng)變最大值為0.064 6，見(jiàn)圖5（b），滿(mǎn)足10次全循環(huán)的設(shè)計(jì)要求［8，11］。

圖4　縮比裝置試驗(yàn)樣品（單位：mm）

圖5　水平位移為100 mm時(shí)應(yīng)變?cè)茍D

3　縮比裝置試驗(yàn)與結(jié)果分析

本文試驗(yàn)在1 000 t壓剪試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程按照文獻(xiàn)［7］的要求進(jìn)行了0.25Dmax，0.50Dmax和1.00Dmax的逐級(jí)加載，循環(huán)次數(shù)分別為5次、5次和10次。同時(shí)進(jìn)行了15次規(guī)定的超載試驗(yàn)（1.2Dmax）和最大位移（1.0Dmax）的疲勞試驗(yàn)。其中最大橫向位移為100 mm的有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）和試驗(yàn)實(shí)測(cè)（TEST）滯回曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。圖中TEST曲線(xiàn)包括10條實(shí)測(cè)循環(huán)曲線(xiàn)，且不同循環(huán)間有一定離散。由圖6可知，有限元分析與試驗(yàn)實(shí)測(cè)滯回曲線(xiàn)重合性較好，屈服力計(jì)算值和試驗(yàn)值分別為95，103 kN，試驗(yàn)值較設(shè)計(jì)值增大了8.4%，符合文獻(xiàn)［8］的規(guī)定。二者的差異主要因?yàn)锳baqus內(nèi)嵌的材料硬化模型對(duì)循環(huán)硬化的描述存在誤差。石永久等［12］采用自編UMAT較好地解決了上述問(wèn)題。試驗(yàn)完成后，上下底板組件和阻尼元件均未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋（見(jiàn)圖7），滿(mǎn)足文獻(xiàn)［7］的使用壽命要求。

圖6　有限元分析與試驗(yàn)實(shí)測(cè)滯回曲線(xiàn)

圖7　測(cè)試后的阻尼元件

將試驗(yàn)后阻尼元件表面氧化層剝離區(qū)域（圖7中弧形段泛白區(qū)域）的分布與數(shù)值仿真計(jì)算中阻尼元件經(jīng)歷一個(gè)周期變形后塑性應(yīng)變?cè)茍D（見(jiàn)圖8）進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷最大橫向位移100 mm的周期變形后，其塑形變形區(qū)域與有限元分析結(jié)果一致，說(shuō)明有限元仿真分析對(duì)產(chǎn)品變形區(qū)域的預(yù)測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性。

圖8　計(jì)算模型應(yīng)變?cè)茍D

4　結(jié)論

本文根據(jù)對(duì)一斜拉橋在地震條件下響應(yīng)分析所確定的橋梁抗震參數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)的一套屈服力為8 000 kN、最大橫向位移達(dá)300 mm的橫向減隔震裝置進(jìn)行了1∶3縮比裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。通過(guò)數(shù)值仿真分析與縮比裝置試驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置在大位移變形時(shí)的穩(wěn)定性和完整性。試驗(yàn)結(jié)果和有限元仿真分析結(jié)果較為吻合，可以利用有限元仿真分析技術(shù)對(duì)該裝置進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，在縮短產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間和節(jié)約成本的同時(shí)能夠保證設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際產(chǎn)品一致。

［1］KELLY J M，SKINNER R I，HEINE A J.Mechanisms of Energy Absorption in Special Devices for Use in Earthquake Resistant Structures［J］.Bulletin of the New Zealand Society for Earthquake Engineering，1972，5（3）：53-57.

［2］衛(wèi)俊，張建強(qiáng).烏海甘德?tīng)桙S河大橋主橋設(shè)計(jì)［J］.城市道橋與防洪，2015（1）：54-58.

［3］陳彥北，李鵬，郝紅肖，等.防落梁裝置：CN102444085A［P］.2012-05-09.

［4］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG/T B02-01—2008公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［5］孔令俊.某斜拉橋主橋地震分析［R］.株洲：株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，2011.

［6］陳列，胡京濤.橋梁減隔震技術(shù)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2014.

［7］周云.金屬耗能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2013.

［8］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JT/T 843—2012公路橋梁彈塑性鋼減震支座技術(shù)條件［S］.北京：人民交通出版社，2012.

［9］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 228.1—2002金屬材料拉伸試驗(yàn)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［10］石亦平，周玉蓉.Abaqus有限元分析實(shí)例詳解［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［11］郝紅肖.新型金屬阻尼器產(chǎn)品的理論研究［R］.株洲：株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，2011.

［12］石永久，王萌，王元清.結(jié)構(gòu)鋼材循環(huán)荷載下的本構(gòu)模型研究［J］.工程力學(xué)，2012，29（2）：92-98.

Design and Experimental Study on Transverse Vibration Isolation Device

ZHANG Yinxi，KONG Lingjun，CHEN Yanbei，WANG Xiaobo，HAO Hongxiao
（Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412007，China）

T aking the cable-stayed bridge as the application object，a transverse vibration isolation device was designed by using the anti-falling device，which could slide in the longitudinal direction.T he stress-strain curve for numerical simulation was obtained by using a uniaxial tensile test of steel material.T he finite element analysis（FEA）technology was used to design a scaled model.In order to verify the reliability of the finite element simulation results，the maximum lateral displacement（100 mm）was carried out by the periodic displacement test with the loadshear test machine.T he results showthat the designedmodel canmeet the requirements of the relevant specifications，the parameters acquired from FEA can achieve good agreement with that of the test and estimate the deformation area exactly.

Vibration isolation device；Bridge；M etallic damper；Numerical simulation；Load-shear test

TU352.12

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.09

1003-1995（2016）09-0035-03

（責(zé)任審編鄭冰）

2016-03-18；

2016-05-26

張銀喜（1985—），男，工程師，碩士。