新型多功能桥梁滑移—减隔震支座性能试验

茅建校+尹万云+王浩+刘守诚+邵传林+傅大放

摘要：针对传统桥梁减隔震支座性能单一和无法满足正常使用荷载及地震极端荷载等不同工况的现状，设计了一种新型多功能滑移-减隔震支座，通过理论分析与有限元模拟相结合的方式建立了该多功能支座的剪切性能曲线，并阐述了该曲线的力学特性及各个关键点的意义。在此基础上，进行了压缩性能、剪切性能及其相关性试验。结果表明：新型多功能滑移-减隔震支座能够达到预期目标，可同时满足桥梁在正常使用阶段的滑移和地震作用下的耗能要求；支座剪切性能曲线的有限元分析结果与试验结果吻合良好，有限元分析得到的剪切性能曲线可有效描述其力学行为；所得结论为后续桥梁减隔震设计及动力时程分析提供了基础。

关键词：多功能滑移-减隔震支座；力学特性；有限元模拟；剪切性能曲线；试验研究

中图分类号：U442 文献标志码：A

0 引 言

近年来，全球地震灾害频发，给人类造成了惨重的生命财产损失[1]。桥梁作为交通线路上的枢纽，其损毁将给抗震救灾带来巨大困难，使得桥梁结构的抗震性能备受关注。传统的桥梁抗震设计理念主要着眼点是强度设计，在增加材料耗费量的同时，抗震能力不一定有所改善[2-3]。此后，经过大量的试验研究、实际工程建设以及多次强震的考验，以工程结构控制理论为指导的结构减隔震技术进入了工程师们的视野，并因其在抗震方法、减震效果、安全性、经济性以及震后修复性等方面的优势而迅速发展。

减隔震支座为工程结构减隔震中的常用装置，不少科学家对此做出了一定的改进和研究，如Constantinou等[4]考虑了聚四氟乙烯支座与螺旋弹簧组合使用的情况，并通过给定结构的振动台试验对支座的隔震性能进行测试，获得了支座的剪切性能滞回曲线等，但是其没有考虑该组合隔震系统在正常使用时的适应性；朱玉华等[5-9]针对建筑结构进行了减隔震研究，其中考虑了将夹层橡胶隔震支座和滑板摩擦支座并联组合使用的情况，并分析了隔震结构的力学性能及其地震响应特性，然而上述研究均未涉及桥梁结构及其对应的组合隔震系统。就桥梁结构而言，工程技术人员希望桥梁支座既能满足正常使用状态下的位移要求，又具有较好的耗能能力以减小桥梁结构在遭受地震作用时的破坏。显然，已有的绝大多数桥梁支座均难以同时满足上述2个方面的要求，这方面的研究工作仍亟待加强。

本文中笔者根据桥梁结构运营期间的受力特点，在综合聚四氟乙烯滑板和铅芯橡胶隔震支座各自优点的基础上，设计并制作了一种新型多功能滑移-减隔震支座，并且采用有限元分析及模型试验等方法对该支座力学性能进行了深入的分析，以期为今后桥梁结构的减隔震设计和动力时程分析提供参考。

1 新型多功能滑移-减隔震支座构造

本文中所设计的多功能滑移-减隔震支座的上半部分为聚四氟乙烯-不锈钢板滑移装置，下半部分为LRB300型铅芯橡胶隔震垫，具体参数如表1所示。在该支座上、下部分之间设置转换装置，由1个四面相围的挡板构成，可满足上部结构纵向30 mm、横向20 mm的滑移量。支座整体构造及加工成形模型如图1，2所示。

2 支座力学行为理论及有限元分析

2.1 力学行为理论分析

滑移-减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铅芯橡胶隔震支座，其力学性能主要体现在滑移-隔震上，故有必要将二者分别进行分析。

2.1.1 摩擦滑移隔震支座

摩擦滑移隔震支座在小位移（约为0.2 mm）时表现为接合面阻尼耗能，较大位移时为库仑摩擦阻尼耗能，耗能效率较高[10]。接合面阻尼由小变形所产生，体现为静摩擦力控制。当接合面的受力达到静摩擦力极限时，支座发生较大变形，动摩擦力开始发挥作用，体现出库仑摩擦阻尼耗能特征[11]，其力-位移曲线如图3所示[12-13]，其中，F为摩擦力，x为位移，F0为滑动摩擦力，由竖向压力N和摩擦因数μf确定[14]。

2.1.2 铅芯橡胶隔震支座

铅芯橡胶隔震支座的力学特性主要体现在恢复力模型中，采用双线性恢复力模型，其力-位移曲线见图4，其中，Ki为初始刚度，Kd为屈服后刚度，Kh为水平等效刚度，Qd为屈服力。

2.2 支座剪切性能有限元分析

在理论分析的基础上，利用ANSYS对滑移-减隔震支座进行模拟与分析，得出其力-位移曲线，见图5，其中，F′为剪力，Keq为等效水平刚度，K1，K2分别为隔震垫的屈服前刚度和屈服后刚度。滑移-减隔震支座剪切性能曲 线的分析工况如表2所示，其中，剪应变为下部铅芯橡胶垫的剪应变，不包括上部摩擦滑移隔震装置的滑移量。

由图5可知：0～13均为支座受力变形曲线中的关键点，其中0为支座受力开始点；1为上部滑移支座的起滑点；2为支座滑移区的终结点，滑移-隔震的体系转换装置开始发挥作用，带动下部隔震垫运动；3为隔震垫内部铅芯屈服点；4为支座剪应变达到100%的标志点，开始受反向剪切力作用；5为隔震垫内部铅芯反向屈服点；6为隔震垫内部铅芯受力逐步减小；7表示开始退化为摩擦滑移隔震支座；过程8-13等同于过程2-7，支座的剪切性能不受支座受力方向的影响；当支座受力达到点13时，即开始下一个滑移-隔震的受力过程；过程0-1，2-3，4-5均由隔震垫的屈服前刚度K1控制；过程3-4，5-6由隔震垫的屈服后刚度K2控制；过程1-2，7-8由摩擦滑移隔震装置的动摩擦力控制；过程6-7由滑移装置动、静摩擦因数的变化控制；4与10连线的斜率可定义为该支座的等效水平刚度Keq。3 支座力学性能试验研究

3.1 试验加载装置

试验在华中科技大学控制结构湖北省重点实验室的大型压剪试验机上进行，压剪试验机见图6。该设备可提供25 MN的竖向最大加载力、2.8 MN的水平向最大加载力，最大作动行程为±600 mm。试验采用正弦波加载，通过调整正弦波的频率、幅值来实现不同的加载工况。