桥梁高阻尼隔震橡胶支座性能试验研究

陈彦江, 郭凯敏, 李 勇, 陈 飞

(1. 北京工业大学 工程抗震与结构诊治北京市重点试验室，北京 100124； 2.清华大学 土木工程系，北京 100084)

桥梁高阻尼隔震橡胶支座性能试验研究

陈彦江1, 郭凯敏1, 李 勇2, 陈 飞1

(1. 北京工业大学 工程抗震与结构诊治北京市重点试验室，北京 100124； 2.清华大学 土木工程系，北京 100084)

高阻尼隔震橡胶支座是一种具有耗能性能的新型隔震支座，已经开始应用于桥梁减隔震控制中。为了研究这种新型隔震支座的滞回性能，选取用于某高速公路桥梁的高阻尼隔震支座进行竖向压缩和水平剪切加载试验研究，研究其竖向压应力、水平极限剪切应变、加载频率及加载次数对滞回性能的影响。研究结果表明：高阻尼隔震橡胶支座的滞回曲线较为饱满，耗能效果较好，且多次循环加载后其耗能能力未出现降低的趋势；加载频率对于支座的等效刚度和等效阻尼有一定的影响。

高阻尼橡胶隔震支座；竖向压缩刚度；滞回性能；水平等效刚度；等效阻尼比

地震会引起大量建筑破坏，导致人员伤亡和社会财产损失。其中，桥梁结构的破坏或倒塌及其随后产生的交通中断等对于震后救灾有着极其不利的影响[1]，如何有效减小地震对桥梁的破坏是桥梁抗震设计过程中需要重点考虑到一个方面，其中一种有效的抵御地震破坏的抗震措施就是隔震技术。近些年来，隔震技术得到了比较快速的发展，隔震技术的抗震效果也在若干次地震中得到了认可，隔震橡胶支座技术是最成熟也是工程中应用最广泛[2～7],同样在桥梁工程中也被广泛应用。隔震橡胶支座的类型有低阻尼天然及合成隔震橡胶支座、铅芯隔震橡胶支座、高阻尼隔震橡胶支座等；高阻尼橡胶支座是由多层钢板与多层橡胶在高温下硫化粘结，其中钢板对橡胶层有着约束作用，高阻尼隔震橡胶支座采用的是具有黏弹性的高阻尼橡胶材料，本身具有耗能作用，相比较需要加阻尼器提供阻尼的普通橡胶支座，高阻尼橡胶支座可以节省空间，同时便于施工。我国目前的桥梁隔震结构中，最常用的隔震装置是铅芯隔震橡胶支座，但试验研究证明铅芯隔震橡胶支座使用的橡胶在低温下存在着迅速硬化的现象[7]；研究也发现在低周疲劳作用下支座中的铅芯将产生疲劳剪切破坏，使支座的阻尼性能大幅度降低[8]；此外铅芯隔震橡胶支座在生产和使用过程中，其所含的铅将对环境造成比较严重的污染，而使用新型的高阻尼隔震橡胶支座，既能更加有效地保证工程结构的安全，又能避免对环境的污染[9]。

本文选取应用于某实际桥梁的高阻尼隔震支座进行压剪试验以得到此类型支座的滞回曲线，进而了解其耗能性能，为隔震设计提供一定的参考。

1 试验概况

本次试验共选取了3个规格相同的高阻尼隔震支座，型号为HDR(Ⅱ)-500×550×201-G8/8，其中HDR为公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座名称代号，(Ⅱ)表示支座结构类型为Ⅱ型，表示支座本体与预埋钢板采用卡榫连接，500×550×201表示支座纵桥向尺寸为500 mm、横桥向尺寸为550 mm和支座高度为201 mm，G8/8表示支座设计剪切模量为1 MPa[10]。试验时，将这三个支座编号为HDR-1、HDR-2和HDR-3，试验支座剖面图如图1所示。

试验装置采用40 000 kN多功能电液伺服加载系统，为国内最大最大吨位试验机，提供最大40 000 kN的轴力和4 000 kN的水平力，如图2所示。

图1 高阻尼隔震橡胶支座示意图(单位:mm)Fig.1 Schematic diagram of HDRBS(unit:mm)

图2 40 000 kN多功能电液伺服加载系统Fig.2 40 000 kN Multifunctional hydraulic servo loading system

2 试验内容

2．1 支座压缩性能试验

选取HDR-1做竖向压缩性能试验，根据规范确定压缩性能试验方法：按0-P0-P2-P0-P1(第一次加载)，P1-P0-P2-P1(第二次加载)，P1-P0-P2-P0-P1(第三次加载)，P2为1.3P0，P1为0.7P0，其中P0为设计压力[11]。本次试验采用4个位移计对称布置，由于支座内部橡胶不均匀和支座布置误差可能引起压缩过程中支座有转角，对称布置有效减少支座有转角引起的误差。位移计布置如图3所示。

设计压力P0值为1 644.55 kN和3 289.11 kN，从而考虑不同设计压力的竖向压缩刚度，试验加载曲线如图4所示。

图3 位移计布置Fig.3 Displacement meter layout

图4 HDRBS在不同设计压力P0下的竖向压缩曲线Fig.4 Vertical compression curve of HDRBS under different dsesin presssure P0

竖向压缩刚度计算时应取第三次循环的曲线进行计算，计算公式如下

Kv=(P2-P1)/(X2-X1)

(1)

式中:P2为1.3P0，P1为0.7P0，X2为压力为P2时的竖向压缩位移，X1为压力为P1时的竖向压缩位移。

由图4可得，P0值为1 644.55 kN和3 289.11 kN时，竖向压缩刚度分别为1 077.5 kN/mm和3 133.5 kN/mm。

从竖向压缩性能试验结果可以看出，竖向压缩刚度随着竖向压力的增大有着显著的提高，但是竖向压力超过最大设计压力会导致支座橡胶保护层的开裂以及支座屈服竖向变形无法完全恢复，影响支座的性能。

2．2 支座剪切性能的剪应变相关性试验

选取HDR-1做剪应变相关性试验，由于双剪试验方法较为繁琐，而且一次试验测得的剪切性能为两个支座的平均值，当需要判定每个支座的性能时，需采用3个支座混合成3对进行试验[11]，本试验采用单剪试验方法。

试验过程中，存在摩擦力，测试摩擦力的装置如图5所示，测试方法具体步骤为：锁定压剪装置的水平作动器；对试件施加指定的竖向压力；驱动附加作动器。摩擦力传感器记录的力为2倍的摩擦考虑摩擦力对剪力的修正按如下式计算：

Q=Qs-Fr

式中:Q为实际剪力；Qs为记录的剪力；Fr为摩擦力传感器记录摩擦力的1/2。(已下结果均已进行摩擦力修正，惯性力不足记录剪力的1%不作修正)

图5 测定摩擦力的试验装置示意图Fig.5 Experimental device schematic diagram of determination of friction

确定试验方案：加载频率0.01 Hz，压力P0为3 289.11 kN，支座剪应变r分别取50%、100%和150%，支座内被橡胶层总厚度为96 mm，50%、100%和150%剪应变分别为48 mm、96 mm和144 mm。试验结果见表1，滞回曲线如图7所示。取第三次循环的曲线进行计算,水平等效刚度和等效阻尼比安式(2)～(5)计算(参见图6)

Kh=(Q1-Q2)/ (X1-X2)

(2)

heq=2ΔW/πkh((X2-X1)2

(3)

X1=Tr(r)

(4)

X2=Tr(-r)

(5)

式中:Q1表示最大剪力，Q2表示最小剪力，X1表示最大位移，X2表示最小位移，其中ΔW表示滞回曲线包络面积(即每个滞回耗散能量)，kh水平等效刚度，Tr表示支座橡胶层总厚度，r表示剪应变。滞回参数计算示意图如图6所示。

图6 滞回性能参数计算示意图Fig.6 Calculation schematic diagram of parameters of hysteretic behavior

表1 剪应变对滞回性能参数的影响

图7 剪应变对滞回性能的影响Fig.7 The effect of shear strain on parameters of hysteretic behavior

由表1和图7可以看出，随着剪应变的增大，水平等效刚度明显减小，阻尼比有所增大，支座每圈循环耗散能量显著增多。在加载过程中，随着剪应变的增大，支座内部橡胶层发生倾斜导致橡胶有效剪切面积减小，而且在小应变情况下，高阻尼橡胶的初始刚度大，主要表现为弹性性能，随着剪切变形的增大，高阻尼橡胶主要表现为粘性性能，所以支座水平等效刚度减小，等效阻尼比略微增大，而且每个滞回耗散能量显著增加，说明在高阻尼隔震橡胶支座在发生大变形时依然能保持较好的耗能性能，有效减少地震作用对桥梁的破坏。

2．3 支座剪切性能的加载频率相关性试验

选取HDR-2和HDR-3做加载频率相关性试验，研究加载频率对高阻尼隔震支座滞回性能的影响。确定试验方案为：剪应变100%，竖向压力P0为3 289.11 kN，加载频率为0.005 Hz，0.02 Hz和0. 025 Hz，得到的试验结果见表2，滞回曲线如图8所示。

表2 频率对滞回性能参数的影响

由表2和图8可以看出，随着加载频率的增大，高阻尼橡胶隔震支座的等效刚度和等效阻尼比呈现增长的趋势，而且耗能能力也增大。

2．4 支座剪切性能的压应力相关性试验

选取HDR-3做压应力相关性试验，试验方法:剪应变100%，P0分别选取1 644.55 kN和3 289.11 kN，试验结果见表3，滞回曲线如图9所示。

表3 压应力对滞回性能参数的影响

由表3和图9可以看出，支座的水平等效刚度和等效阻尼比随着支座压力的增大而增大。支座竖向压应力的增大使支座内部的橡胶层更加密实，高阻尼橡胶材料内部摩擦力增大，而且也导致橡胶保护层对内部橡胶层的压力增大，从而支座水平等效刚度、等效阻尼和耗能能力都增大。

图8 加载频率对滞回性能参数的影响Fig．8Theeffectoffrequencyonparametersofhystereticbehavior图9 压应力对滞回性能参数的影响Fig．9Theeffectofcompressivestressonparametersofhystereticbehavior

2．5 支座剪切性能的反复加载次数相关性试验

由于桥梁支座在车辆荷载作用下不断地发生竖向压缩变形、水平剪切变形，同时在地震过程中会发生多次大变形状态下的往复剪切变形，所以需要研究高阻尼橡胶隔震支座在循环往复水平荷载作用下的滞回性能。选取HDR-1做反复加载相关性试验，试验方法:压力P0取1 644.55 kN，加载频率为0.01 Hz，循环往复次数为50次，提取循环1、3、5、10、30、40、50次的滞回曲线进行分析，试验结果见表4，滞回曲线如图9所示。

表4 反复剪切对滞回性能参数的影响

图9 反复加载对滞回性能参数的影响Fig.9 The effect of repeated shear on parameters of hysteretic behavior

由表4和图9可以看出，随着加载循环次数的递增，水平等效刚度下降，后面趋于稳定，根据规范以第三次循环计算的等效刚度和等效阻尼比为基准值，变化范围在±15%以内，符合设计要求；同样，等效阻尼比基本不变，在规范允许变化范围之内，其阻尼比的降低远远小于铅芯橡胶支座，可见多次反复加载对高阻尼隔震橡胶支座的滞回性能影响很小；从滞回曲线结果来看，曲线形状丰满变化很小，从△W的变化来看，随着循环次数的增加而△W变化不大，而且越到后来变化越小，这同样表明高阻尼橡隔震橡胶支座有良好的耐久耗能性能。

2．6 支座极限剪切性能试验

根据规范要求，应测定高阻尼橡胶支座在最大设计压应力下的极限剪切位移能力，取极300%设计剪应变，加载至极限剪切位移，观察支座有没有明显的破坏迹象。试验加载曲线如图10所示，支座外观如图11所示。

图10 极限剪切加载曲线Fig.10 Ultimate shear loading curve

图11 极限剪剪切加载后支座外观Fig.11Bearing appearance affter ultimate shear loading

支座加载至极限剪应变时，支座橡胶与连接板边缘处有1～2 mm的脱胶，不影响支座本身的性能，支座极限剪切性能满足抗震设计要求。

3 结 论

由于橡胶支座的制作工艺比较复杂难以精确控制和橡胶材料本身的力学性能比较复杂导致高阻尼隔震橡胶支座性能的差异，本次试验为同一种型号的支座，在完全相同的试验条件下仍然存在差异，但是基本规律可循，所得结果归纳如下：

(1) 竖向压力对压缩刚度有较大的影响，随着压力的增大压缩刚度有显著的增大，而且水平等效刚度和等效阻尼比也增大，这对于桥梁抗震隔震是有利的，但是竖向压力过大会导致支座变形无法恢复甚至开裂，所以应根据桥梁的荷载情况选择合适规格的支座。

(2) 剪应变对支座的剪切性能有着较大影响，随着剪应变的增大等效刚度降低，而对等效阻尼比的影响不明显，高阻尼橡胶支座的耗能性能比较稳定；高阻尼橡胶隔震支座在发生较大剪切变形时依然保持良好的性能，在桥梁设计时应考虑伸缩缝长度以及主梁和挡石之间的距离能否满足其变形要求。

(3) 滞回性能随着剪切频率的增大而提高，这对于高阻尼橡隔震胶支座在各级地震中都有着良好的隔震效果。

(4) 反复循环对支座的滞回性能影响较小，等效刚度和等效阻尼比的值都在规范允许范围之内，可以看出高阻尼隔震橡胶支座具有良好的耐久性能。

(5) 采用天然橡胶作为隔震层的普通个隔震支座，由于天然橡胶耗散能力低下，在地震时不能有效的吸收能量，因此地震能量仍然由上部结构承担，而且自身因剪切变形过大发生剪切破坏；而高阻尼橡胶支座，因为高阻尼橡胶隔震层能有效的吸收很多地震能量，从而减少上部结构承受的地震能量。

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Behavior of high damping seismic isolation rubber bearings for bridges

CHEN Yan-jiang1, GUO Kai-min1, LI Yong2, CHEN Fe1

(1. Beijing Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit,Beijing University of Technology, Beijing 100024, China;2. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

High damping seismic islolaton rubber bearings (HDRBS) as a new kind of isolation rubber with the good performance of consuming energy have been used in bridge seismic isolation control recently. In order to study the hysterertic behavior of this new kind of isolation rubber, high damping seismic islolaton rubber bearings used in a highway bridge were taken as objects in vertical compression and horizontal shear loading tests. The effects of vertical stress, horizontal ultimate shear strain, loading frequency and loading times on hysteretic properties were investigated. The results show that the hysteretic curve of HDRBS is rather plump, describing good energy comsuming character and after repeated cyclic loading the performance of consuming energy does not appear decreasing trend. In addition loading frequency has some effect on the equivalent bearing stiffness and equivalent damping ratio.

high damping seismic isolation rubber bearing; vertical compression stiffness; hysteretic behavior ;horizontal equivalent stiffness; equivalent damping ratio

国家自然科学基金项目(51378037)；博士后科学基金项目(2013M540957)

2014-01-08 修改稿收到日期：2014-06-03

陈彦江 男，教授,博士生导师，1963年生

U443.36+1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.09.025