新型多功能橋梁滑移—減隔震支座性能試驗

茅建校+尹萬云+王浩+劉守誠+邵傳林+傅大放

摘要：針對傳統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狀，設計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特性及各個關鍵點的意義。在此基礎上，進行了壓縮性能、剪切性能及其相關性試驗。結果表明：新型多功能滑移-減隔震支座能夠達到預期目標，可同時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果與試驗結果吻合良好，有限元分析得到的剪切性能曲線可有效描述其力學行為；所得結論為后續橋梁減隔震設計及動力時程分析提供了基礎。

關鍵詞：多功能滑移-減隔震支座；力學特性；有限元模擬；剪切性能曲線；試驗研究

中圖分類號：U442 文獻標志碼：A

0 引 言

近年來，全球地震災害頻發，給人類造成了慘重的生命財產損失[1]。橋梁作為交通線路上的樞紐，其損毀將給抗震救災帶來巨大困難，使得橋梁結構的抗震性能備受關注。傳統的橋梁抗震設計理念主要著眼點是強度設計，在增加材料耗費量的同時，抗震能力不一定有所改善[2-3]。此后，經過大量的試驗研究、實際工程建設以及多次強震的考驗，以工程結構控制理論為指導的結構減隔震技術進入了工程師們的視野，并因其在抗震方法、減震效果、安全性、經濟性以及震后修復性等方面的優勢而迅速發展。

減隔震支座為工程結構減隔震中的常用裝置，不少科學家對此做出了一定的改進和研究，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，并通過給定結構的振動臺試驗對支座的隔震性能進行測試，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在正常使用時的適應性；朱玉華等[5-9]針對建筑結構進行了減隔震研究，其中考慮了將夾層橡膠隔震支座和滑板摩擦支座并聯組合使用的情況，并分析了隔震結構的力學性能及其地震響應特性，然而上述研究均未涉及橋梁結構及其對應的組合隔震系統。就橋梁結構而言，工程技術人員希望橋梁支座既能滿足正常使用狀態下的位移要求，又具有較好的耗能能力以減小橋梁結構在遭受地震作用時的破壞。顯然，已有的絕大多數橋梁支座均難以同時滿足上述2個方面的要求，這方面的研究工作仍亟待加強。

本文中筆者根據橋梁結構運營期間的受力特點，在綜合聚四氟乙烯滑板和鉛芯橡膠隔震支座各自優點的基礎上，設計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等方法對該支座力學性能進行了深入的分析，以期為今后橋梁結構的減隔震設計和動力時程分析提供參考。

1 新型多功能滑移-減隔震支座構造

本文中所設計的多功能滑移-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，具體參數如表1所示。在該支座上、下部分之間設置轉換裝置，由1個四面相圍的擋板構成，可滿足上部結構縱向30 mm、橫向20 mm的滑移量。支座整體構造及加工成形模型如圖1，2所示。

2 支座力學行為理論及有限元分析

2.1 力學行為理論分析

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，其力學性能主要體現在滑移-隔震上，故有必要將二者分別進行分析。

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）時表現為接合面阻尼耗能，較大位移時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生，體現為靜摩擦力控制。當接合面的受力達到靜摩擦力極限時，支座發生較大變形，動摩擦力開始發揮作用，體現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為摩擦力，x為位移，F0為滑動摩擦力，由豎向壓力N和摩擦因數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特性主要體現在恢復力模型中，采用雙線性恢復力模型，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

在理論分析的基礎上，利用ANSYS對滑移-減隔震支座進行模擬與分析，得出其力-位移曲線，見圖5，其中，F′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?；?減隔震支座剪切性能曲 線的分析工況如表2所示，其中，剪應變為下部鉛芯橡膠墊的剪應變，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鍵點，其中0為支座受力開始點；1為上部滑移支座的起滑點；2為支座滑移區的終結點，滑移-隔震的體系轉換裝置開始發揮作用，帶動下部隔震墊運動；3為隔震墊內部鉛芯屈服點；4為支座剪應變達到100%的標志點，開始受反向剪切力作用；5為隔震墊內部鉛芯反向屈服點；6為隔震墊內部鉛芯受力逐步減??；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；當支座受力達到點13時，即開始下一個滑移-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 支座力學性能試驗研究

3.1 試驗加載裝置

試驗在華中科技大學控制結構湖北省重點實驗室的大型壓剪試驗機上進行，壓剪試驗機見圖6。該設備可提供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。試驗采用正弦波加載，通過調整正弦波的頻率、幅值來實現不同的加載工況。