X形鋼阻尼器盆式支座設(shè)計(jì)與分析

王海龍，曹文靜，唐斯聰

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

盆式支座因其豎向承載力大、水平滑動(dòng)位移大、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)在大中型連續(xù)梁橋中得到廣泛應(yīng)用。盆式支座在正常使用狀態(tài)或小震作用下均能發(fā)揮較好的減震作用，然而在強(qiáng)震作用下支座的摩擦力不足以消耗強(qiáng)烈的地震力，導(dǎo)致滑動(dòng)支座的上支座板剪斷，橋墩與主梁之間出現(xiàn)較大的相對(duì)位移[1]。對(duì)于此問題出現(xiàn)了不同的改進(jìn)意見。郭磊等[2]提出采用彈塑性減震耗能裝置與其并聯(lián)使用，以增加結(jié)構(gòu)的附加剛度[3-4]，減小支座的破壞程度，還能有效減小固定墩所受的地震力，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。該理論的提出為橋梁的減隔震研究提供了新的思路。文獻(xiàn)[5]提出了一種新型的減隔震支座——拉索減震支座，該支座是在普通盆式支座的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)普遍采用的一種限位彈性索裝置而形成的，可充分發(fā)揮盆式支座及彈性索各自的抗震優(yōu)點(diǎn)，并最大程度地克服了兩者單獨(dú)使用時(shí)的缺陷。

彈塑性鋼阻尼支座和彈塑性鋼阻尼器在國內(nèi)鐵路、公路橋梁都有應(yīng)用案例[6-7]。這些應(yīng)用案例為彈塑性鋼阻尼元件在橋梁減震中的應(yīng)用起到了良好的示范作用。目前應(yīng)用在橋梁墩梁連接構(gòu)件中的彈塑性鋼阻尼元件有E形鋼、C形鋼和非線性阻尼等。其中E形鋼阻尼力大，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，目前應(yīng)用較多，但阻尼力的大小不好調(diào)整，設(shè)計(jì)起來比較復(fù)雜。X形鋼阻尼器不僅結(jié)合了E形鋼阻尼器的優(yōu)點(diǎn)且在阻尼力大小的調(diào)整方面有了很大的改善，通過調(diào)整鋼片數(shù)量就可調(diào)整阻尼力的大小。與E形鋼阻尼器相比，X形鋼阻尼器設(shè)計(jì)起來更方便，更容易推廣，且鋼材的利用率更高。

本文結(jié)合X形鋼阻尼器的受力特點(diǎn)，將X形鋼阻尼器與單向滑動(dòng)盆式支座組合到一起，設(shè)計(jì)一種新型盆式支座。本文通過數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究分析新型支座的滯回性能及工作特性。

1 新型支座的設(shè)計(jì)

新型支座的基本構(gòu)造如圖1所示。上連接板、X形鋼片、下連接板構(gòu)成整個(gè)X形鋼阻尼器。上連接板與上支座板固結(jié)，下支座板、鋼墊板及剛性擋塊固結(jié)在一起。下連接板在支座高度方向不受約束，即下連接板與鋼墊板之間有空隙，下連接板與剛性擋塊固結(jié)，其作用為限制下連接板沿板長方向移動(dòng)。

①上連接板; ②上支座板; ③X形鋼片; ④剛性擋塊; ⑤下連接板; ⑥鋼墊板; ⑦下支座板; ⑧鋼襯板圖1 X形鋼阻尼器盆式支座

2 材料選擇及拉伸試驗(yàn)

金屬阻尼器的耗能能力是通過金屬的塑性變形來實(shí)現(xiàn)的。在阻尼器形狀參數(shù)都相同的情況下，鋼材的屈服強(qiáng)度決定阻尼器的阻尼力，其塑性決定阻尼器的疲勞壽命(低周疲勞性能)。因此應(yīng)使用塑性好的軟鋼材料，但使用二級(jí)高強(qiáng)鋼在滿足同樣阻尼力的情況下可以節(jié)約50%以上的材料成本[8-9]。文獻(xiàn)[10]對(duì)使用Q345鋼的ε形鋼阻尼器進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明,Q345鋼可以滿足疲勞性能的要求。因此，本文中X形鋼阻尼器使用的是Q345鋼材。

為了測定Q345B鋼材的基本力學(xué)性能，對(duì)其進(jìn)行了金屬拉伸試驗(yàn)，按照GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》)和GB/T 2975—1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》的要求制備試樣。試驗(yàn)所得應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2個(gè)試件的截面面積均為217 mm2，根據(jù)圖2得出鋼材的力學(xué)性能，實(shí)測結(jié)果見表1。

表1 鋼材性能實(shí)測結(jié)果

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

由于模型是左右對(duì)稱的，為了簡化計(jì)算取支座的一半建模。滑動(dòng)支座的相對(duì)位移幾乎完全是由聚四氟乙烯板和不銹鋼板的相對(duì)滑動(dòng)完成的，因此，模型分析時(shí)只考慮不銹鋼板與聚四氟乙烯板之間的滑動(dòng)摩擦，其中聚四氟乙烯板的彈性模量為1.0 GPa，不銹鋼板的彈性模量為210 GPa。不銹鋼板與聚四氟乙烯板采用可變形的實(shí)體單元建模，不銹鋼板與聚四氟乙烯板之間建立相互作用，切向行為采用罰函數(shù)的形式，法向行為的壓力過盈采用硬接觸。鋼阻尼器的力學(xué)參數(shù)采用表1中的平均值。

3.2 模擬結(jié)果

新型支座的滯回曲線見圖3，2組滯回曲線都非常飽滿，且加載位移越大滯回曲線越飽滿。這說明加載位移與新型支座的耗能效果有關(guān)，加載位移越大耗能效果越顯著。從滯回曲線的形式中可以看出其骨架曲線符合三折線的本構(gòu)關(guān)系，說明X形鋼阻尼器已經(jīng)發(fā)生了塑性變形，發(fā)揮了耗能作用。

圖3 數(shù)值模擬計(jì)算的新型支座滯回曲線

4 新型支座的擬靜力試驗(yàn)

為了驗(yàn)證新型支座的力學(xué)性能，建立了新型支座的縮尺模型，并對(duì)其進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)時(shí)先將豎向荷載以連續(xù)均勻速度加載至30%設(shè)計(jì)承載力進(jìn)行預(yù)壓，保持10 min，再加載70%設(shè)計(jì)承載力，最終將豎向荷載加載到500 kN，整個(gè)試驗(yàn)過程中豎向荷載保持不變。水平加載采用位移控制，按正弦波循環(huán)加載，彈性階段每級(jí)進(jìn)行1次加載循環(huán)，塑性階段每級(jí)進(jìn)行3次加載循環(huán)。彈性階段的加載位移幅值分別為±2,±4,±6,±8,±10 mm；塑性階段的加載位移幅值分別為±15,±20,±25,±30,±35,±40,±45,±50,±55,±60 mm。平均速度為2 mm/s。

4.1 應(yīng)變分析結(jié)果

試驗(yàn)過程中，在兩側(cè)的阻尼器A,B上分別布置了9個(gè)應(yīng)變片，如圖4所示。采用靜態(tài)應(yīng)變采集儀測量各點(diǎn)的應(yīng)變。

圖4 應(yīng)變片布置(單位：mm)

圖5 應(yīng)變-位移關(guān)系曲線

應(yīng)變-位移關(guān)系曲線見圖5，可以看出沿截面高度變化各測點(diǎn)的應(yīng)變變化各不相同，其中測點(diǎn)5的應(yīng)變值最小，測點(diǎn)2與測點(diǎn)4應(yīng)變分布相同，測點(diǎn)6與測點(diǎn)8的應(yīng)變分布相同；所測各點(diǎn)以測點(diǎn)5為中心對(duì)稱分布，試驗(yàn)結(jié)果顯示應(yīng)變也是對(duì)稱分布。負(fù)位移的應(yīng)變值比正位移的應(yīng)變值大，這是由于試驗(yàn)加載過程中支座的上支座板產(chǎn)生了傾斜所導(dǎo)致的。對(duì)整個(gè)X形鋼片而言，沿高度范圍內(nèi)除中心點(diǎn)外各點(diǎn)的應(yīng)變值幾乎相同，說明該鋼片的大部分區(qū)域都可同時(shí)達(dá)到屈服，材料可以充分利用。

圖6 滯回曲線對(duì)比

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證有限元模型，將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，所比較的最大加載位移分別為40,60 mm。

將試驗(yàn)所得滯回曲線與數(shù)值模擬所得滯回曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示?？梢钥闯觯孩?組滯回曲線非常接近，當(dāng)加載位移為60 mm時(shí)2條滯回曲線幾乎重疊在一起。可見試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果比較接近。②新 型支座的滯回曲線飽滿，耗能效果好，且加載位移越大滯回曲線越飽滿。在整個(gè)加載過程中沒有出現(xiàn)荷載明顯下降的趨勢，說明新支座的工作性能比較穩(wěn)定。

4.3 骨架曲線

從2組滯回曲線中可得到新型支座的骨架曲線,如圖7所示。可以看出其骨架曲線接近三折線的形式，對(duì)應(yīng)的有效剛度分別為第1剛度、第2剛度和第3剛度。當(dāng)加載位移達(dá)到60 mm時(shí)，承載力仍未下降，說明該試件有良好的變形能力且力學(xué)性能穩(wěn)定。

圖7 新型支座骨架曲線

4.4 力學(xué)性能分析

對(duì)新型支座的力學(xué)性能參數(shù)通過數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究相結(jié)合的方式進(jìn)行了對(duì)比分析，其結(jié)果見表2?？梢钥闯觯涸囼?yàn)結(jié)果略小于數(shù)值模擬結(jié)果，主要是因?yàn)樵嚰谱鞯恼`差使得阻尼器與剛性擋塊之間存在微小的縫隙，使得新支座的屈服位移增加，進(jìn)而導(dǎo)致各個(gè)剛度均有所降低。

表2 新型支座力學(xué)性能參數(shù)對(duì)比 kN/mm

由表2可知，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相當(dāng)吻合，說明所建的有限元模型是合理的，試驗(yàn)結(jié)果是正確的。

5 結(jié)論

1)新型支座試驗(yàn)滯回曲線飽滿，無捏攏現(xiàn)象產(chǎn)生，主要性能指標(biāo)沒有下降，新型支座的工作狀態(tài)穩(wěn)定。試驗(yàn)所得滯回曲線與數(shù)值模擬所得滯回曲線的對(duì)比表明，加載位移越大滯回曲線的吻合度越好。

2)新型支座的骨架曲線符合三折線的本構(gòu)關(guān)系，且力學(xué)性能穩(wěn)定，有良好的變形能力。

3)從X形鋼片的應(yīng)變分布來看，沿截面高度范圍內(nèi)除中心點(diǎn)外各點(diǎn)的應(yīng)變基本相同，截面的大部分區(qū)域可同時(shí)達(dá)到屈服，鋼材得到了充分利用。