钢丝网复合橡胶减隔震支座试验及有限元模拟

李　涵,袁万城,田圣泽,党新志(同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海　200092)

钢丝网复合橡胶减隔震支座试验及有限元模拟

李涵,袁万城*,田圣泽,党新志
(同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092)

摘要:针对现有板式橡胶支座力学性能的不足,通过采用高强细密钢丝网代替加劲钢板,设计一种适用于中小跨径桥梁的新型减隔震支座,并对该新型支座的竖向和水平向力学性能进行试验探究。试验结果表明:新型支座的各向力学性能良好,且可以通过倾覆滚动实现大剪切变形。最后,用ANSYS有限元程序模拟新型支座的竖向力学性能,得到与试验相符的结果。

关键词:高强细密钢丝网;橡胶减隔震支座;力学性能试验;有限元

随着地震的频发以及桥梁震害的不断发生,减隔震设计的重要性日渐突出。最常用的减隔震设计方法是设置减隔震支座,而减隔震支座体型大、质量大、造价高,多用于大跨径及重要等级较高的桥梁,我国公路桥梁中近80%为连续梁桥和简支梁桥,多采用板式橡胶支座。但是震害调查发现,由于板式橡胶支座没有减隔震的作用机制,且其水平位移能力不足,采用该类支座的梁式桥在大震下会发生支座移位或落梁震害,严重威胁了生命线工程的安全。因此目前亟需研发一种新型橡胶减隔震支座,使其具有更大的水平位移能力,且兼有板式橡胶支座构造简单、造价低、安装方便的优点。板式橡胶支座是由钢板和橡胶层叠构成,钢板作为加劲材料约束橡胶层在竖向荷载下的外鼓变形,从而提供支座竖向承载能力,但因钢板占据支座一定高度,又不能提供水平剪切变形,在支座高度因稳定性不能无限增大的条件下,限制了支座水平位移能力。考虑到钢板占据了支座大部分重量,本文尝试采用厚度薄、轻质、高强的柔性材料代替钢板作为板式橡胶支座的加劲层,以进一步提高支座水平位移能力,还可大大减小支座重量,减少支座生产劳动力,降低造价。

目前国内外已有学者研究采用其他材料代替板式橡胶支座的加劲钢板,以提高板式橡胶支座的力学性能,但大都局限于提高板式橡胶支座的竖向承载能力,对改进水平力学性能的研究尚少。目前提出的替代加劲钢板的材料不尽相同,但均限定在纤维增强产品,比如碳纤维布、FRP板、玻璃纤维板等［1－5]。其中研究较多的是FRP橡胶支座,文献［4]用有限元结合试验分析了FRP橡胶支座的竖向压缩性能,在竖向刚度略有减小的情况下,满足支座承载能力要求。文献［6－13]从板式橡胶支座构造入手,提出用柔性纤维复合增强材料(FRP)代替减隔震支座中的加劲钢板,以减小减隔震支座重量,降低造价,同时利用纤维间的摩擦来增大支座的阻尼,以提高支座耗能能力。在试验当中,支座发生大水平位移下的翘曲,但是这部分能力并未得到重视和利用,且国内一些学者将此现象视为支座失稳,而不对其进行深入探究。若能利用支座的翘曲倾覆,使支座实现更大的水平位移,则支座能发挥出减隔震作用。

本文提出一种采用高强细密钢丝网代替加劲钢板的复合橡胶减隔震支座,并对其各向力学性能进行静力试验研究,得到相应力学特性参数,便于工程推广应用;最后,用ANSYS有限元程序建立新型支座的实体有限元模型,分析新型支座的竖向力学性能并与试验结果进行对比;验证模拟的准确性,并进一步分析新型支座竖向荷载下的内部应力及极限竖向荷载。

1　各向力学性能试验

新型支座采用的加劲材料高强细密钢丝网是用冷拔钢丝编织成一定目数的强度高、厚度薄且呈柔性的网,单根钢丝抗拉强度可以达到2 000 MPa。由于钢丝网复合橡胶减隔震支座的构造方式与普通板式橡胶支座相同,因此支座的生产流程类似。相比于普通板式橡胶支座,新型支座的加劲层很薄,仅1 mm,单层橡胶层厚度为2 mm,橡胶层总厚度不变,而加劲层层数几乎增多了1倍,且支座总高度几乎不变。该支座省去了减隔震支座常用的上下端板,重量大大减轻,且安装方便。其上下面直接与梁底和墩顶的混凝土接触,用作活动支座,因其水平极限位移比原有板式橡胶支座大大提高,故可以有效减少支座脱落和落梁的发生。

由于采用高强细密钢丝网作为支座加劲材料在国内外还是初探,对于支座的力学性能还有待试验验证,本文对此新型支座进行了竖向和水平向力学性能的静力试验,试验均按照文献［14]中的相关规定进行。

1.1试验

为了评测钢丝网加劲材料的强度和对橡胶的约束作用,以及其随橡胶的变形能力,设计4种型号的新型橡胶支座试样(记为A、B、C、D),每种型号2块,进行支座抗压弹性模量、抗压极限承载能力、抗剪弹性模量、剪切极限承载能力试验,试验步骤均参照文献［14]对板式橡胶支座的相关试验规定,试验在YAW－5000电液伺服橡胶支座压剪试验机上进行。支座试样构造尺寸如表1所示。

表1　支座试样构造尺寸表

首先对1#、3#、5#、7#、8#支座进行抗压弹性模量测试,然后对A、B、C、D组支座进行双剪试验,测试支座抗剪弹性模量,并进一步测试其剪切极限承载能力,最后对2#、4#、6#、8#支座进行抗压极限承载能力测试。

1.2结果分析

1)竖向力学性能

各组支座抗压弹性模量试验结果及相同平面尺寸的现有板式橡胶支座抗压弹性模量试验结果如图1所示。

图1　新型支座和同平面尺寸普通板式橡胶支座抗压弹性模量试验结果对比

由图1可以看出,钢丝网复合橡胶减隔震支座可以大大提高支座的竖向刚度,且随着单层橡胶层厚度的减小,或是钢丝直径的增大,支座的抗压弹性模量相应增大,由此说明,新型支座的竖向受力性能规律仍符合板式橡胶支座的竖向受力性能规律,即支座竖向刚度受加劲层对橡胶的约束作用影响。

对于抗压极限承载能力,除A组支座在50 MPa压应力下破坏外,其余支座均在17～30 MPa发生破坏。由于试样在剪切极限承载能力试验后未进行应力释放直接用于抗压试验,该试验结果因受支座残余应力影响而偏小。观察新型支座在设计使用极限荷载10 MPa下的受力性能,橡胶层无明显外鼓变形,受力良好,说明可以满足支座的正常使用。为了提高支座的承载能力,在支座钢丝网加劲层上均匀撒满一定质量散乱分布的钢纤维,利用钢纤维和钢丝网的共同作用提高支座竖向承载能力,对改进后的试样进行竖向承载力试验,发现支座抗压极限承载能力确实得到了提高,达到70 MPa,满足现有规范要求。而对更大尺寸的支座试样,钢纤维的增强效果还有待进一步试验研究。

2)水平向力学性能

由于钢丝网加劲层的特殊构造,支座的各个橡胶层上下透过加劲层连接为一个整体,故橡胶层厚度可以视为支座全高,大大提高了支座的剪切变形能力,从试验结果也可以得到验证。支座的水平剪切刚度约为1.0 MPa,符合规范规定的1.0～1.2 MPa范围。极限剪切变形能力达到了200%,远远超过现有抗震规范规定的板式橡胶支座100%剪应变极限［15]。且在大的水平位移下,支座侧表面完全倾覆后发生了滚动剪切变形,如图2所示。

图2　支座侧表面完全倾覆状态

2　基于ANSYS的竖向力学性能

2.1建模

1)橡胶本构模型

橡胶是典型的非线性材料,具有超弹性,体积几乎不可压缩。在ANSYS提供的9种橡胶本构模型中选用较为简单和常用的两参数Mooney-Rivlin模型［16－19]:

式中: W为应变能密度函数; J为材料变形前后的体积比,因橡胶为几乎不可压缩材料,J约为1; Ip(p =1,2)为应变不变量; Ip(p =1,2)为偏差应变不变量,Ip= J－2/3Ip; c10、c01和d为材料常数,其中d和体积弹性模量k有关,k =2/d,橡胶体积弹性模量k一般取2 000 MPa,c10、c01通过ANSYS的橡胶单轴拉伸试验应力－应变曲线拟合功能自动生成并代入数值计算［20]。橡胶单轴拉伸试验方法参照文献［21],得到c10= 0.581 58,c01=0.117 14。

2)有限元模型

以试验所用的1#支座试样构造为依托,建立实体有限单元模型,支座原型及有限单元模型如图3、4所示。

为了简化模型,将细密钢丝网加劲层按横截面面积相等的原则换算成等平面尺寸的钢板,等效钢板厚度经计算为0.34 mm。实体模型中,橡胶采用8节点实体单元SOLID185,等效加劲钢板及承载板采用8节点实体单元SOLID45。橡胶支座与加载板之间用接触对来模拟接触,并假定加载板与支座之间不发生相对滑动。接触类型为刚体－柔体面面接触,支座面采用CONTA173(3D4节点)单元,加载板面采用TARGE170(3D8节点)单元。

图3　新型支座构造　

图4　支座有限元模型

为得到支座承载能力,将等效钢板材料本构关系假设为理想弹塑性,线弹性段的弹性模量取为205 GPa,泊松比为0.3,屈服应力为2 000 MPa,屈服后的切线模量为0。

由于支座以及加载方式均具有对称性,建模时采用1/4支座有限元模型。网格划分时,单元最大尺寸与最小尺寸比例最大约为8∶1。在实际使用状态下,橡胶支座内部的钢板和橡胶完全粘合,不发生相对位移,因此采用橡胶和钢板单元共节点模拟橡胶与钢板的接触面,以简化计算模型。支座对称面施加对称约束,下加载板底面施加固定约束,上加载板顶面约束水平面内位移。

2.2竖向力学性能模拟结果

1)支座抗压弹性模量

数值模拟结果显示,支座抗压弹性模量为575 MPa,与试验结果比差值＜5%,说明模型的简化以及参数的选取是可行的。通过采用相同的方法对相同平面尺寸的定型普通板式橡胶支座进行有限元模拟,得到抗压弹性模量为322.55 MPa,与按文献［14]经验公式计算出的抗压弹性模量相吻合,再次验证有限元计算结果的有效性。

2)支座的变形及加劲层应力分布

在10MPa竖向荷载下,支座的变形情况如图5所示,可以看出,橡胶层在竖向荷载下会发生横向膨胀变形,而加劲层几乎没有变形,橡胶的横向膨胀会受到加劲层的约束,内部处于三向受压状态,承载能力得到提高。加劲层由于要约束橡胶的横向膨胀,自身受拉,其等效应力分布如图6所示(图中应力单位为MPa)。从图6a)中可以看出,加劲层应力分布从中心向四周呈环状逐渐减小,这是受橡胶横向膨胀作用累积的结果,中心部位受到的膨胀作用大,越向边部受到的膨胀作用越小。图6b)表明竖向荷载下各层加劲层应力分布情况相同,大小基本相等。

图5　竖向荷载下支座变形情况

图6　竖向荷载下加劲层等效应力

3)支座极限抗压承载能力

支座破坏原因往往是钢板达到极限抗拉强度,而在ANSYS模型中当施加70 MPa荷载时,新型支座加劲钢板的最大应力仅为663 MPa,远远小于钢丝极限抗拉强度2000 MPa,理论上说明支座竖向承载能力可达到70 MPa,而试验结果承载力较小是由于材料缺陷、残余应力等不利因素的影响。

3　结语

钢丝网复合橡胶减隔震支座是将高强细密钢丝网代替钢板作为加劲材料的新型减隔震支座。试验表明:钢丝网能很好地与橡胶结合,并提供给新型支座优良的竖向承载能力;相比于原有板式橡胶支座,新型支座水平极限位移增大,更符合桥梁遭遇地震时结构的位移需求,保证结构的安全性。在ANSYS有限元支座实体建模分析中,支座模型的简化以及材料参数的模拟方法是正确的,可以反映实际情况,从而能精准模拟出加劲层的应力分布,加劲层应力分布为从中心向四周呈环状逐渐减小,并进一步验证了支座的竖向承载能力可以达到70MPa。该新型支座具有质量轻、构造简单、水平位移能力大、竖向刚度高的优势,具有很高的研究和推广价值,但对于其性能的稳定性和竖向承载能力的提高还有待进一步研究。

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(责任编辑:郎伟锋)

Finite Element Simulation and Experiment on
Steel Mesh Reinforced Elastomeric Isolation Bearing

LI Han,YUAN Wancheng,TIAN Shengze,DANG Xinzhi
(State Key Laboratory on Disaster Reduction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

Abstract:Considering the disadvantages in the mechanical properties of laminated rubber bearings,a new type of elastomeric isolation bearings is put forward by replacing the reinforced steel plate with high-strength steel mesh.This new type of bearings is designed for small-medium span bridges.Experimental study is conducted on its vertical and horizontal mechanical properties,which shows the good performance of such bearings and accommodates larger horizontal displacement through the rolling-off and rolling-over.Finally,ANSYS Finite Element System is applied to simulate new bearings under vertical load and similar results with the mechanical tests are obtained.

Key words:high-strength steel mesh; elastomeric isolation bearing; mechanical property test; finite element

作者简介:李涵(1990—),女,河南开封人,硕士研究生,主要研究方向为桥梁抗震; *袁万城(1962—),男,上海人,教授,工学博士,主要研究方向为桥梁抗震.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51478339,51278376);土木工程防灾国家重点实验室基金资助项目(SLDRCE14－B－14)

收稿日期:2015－08－01

DOI:10.3969/j.issn.1672－0032.2015.03.011

文章编号:1672－0032(2015)03－0049－06

文献标志码:A

中图分类号:U443.36