环境温度对板式橡胶支座摩擦滑移性能的影响分析

2021-06-08纪梦为

地震工程学报 2021年3期

李悦,纪梦为,李冲

(1.北方工业大学土木工程学院,北京 100144;2.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司,北京 100088)

0 引言

由于构造简单、安装方便、造价低,梁式桥中常采用板式橡胶支座传递桥梁上部结构与桥墩间,在地震、风、车辆等动荷载作用下产生的水平荷载。汶川地震后,通过对桥梁的震害调查发现,桥梁的破坏程度与支座的型式有关[1-2]。活放的板式橡胶支座在地震作用下产生滑移,减少了传递到桥墩上的惯性力,起到了“保险丝”式单元的作用[3]。地震时,板式橡胶支座的摩擦滑移降低了桥梁墩柱损伤,但增大了桥梁上部结构落梁的风险[4]。目前,国内外学者对板式橡胶支座在水平荷载作用下的摩擦滑移力学性能进行了研究。王伟等[5]提出了Mooney-Rivlin模型中橡胶材料的模拟参数。李枝军等[6]通过试验提出应把100%剪切变形作为板式橡胶支座在地震作用下产生滑动的指标。李冲等[7-8]通过开展矩形板式橡胶支座在水平荷载下的试验和模拟研究,对影响支座耗能的主要因素进行了分析。Steelman等[9-11]通过试验,对影响支座摩擦滑移性能的支座刚度、阻尼比等特性进行了分析,并提出了考虑支座摩擦滑移进行桥梁减震的计算模型。而在支座试验的基础上,李建中等[12-17]对采用板式橡胶支座的规则梁桥进行了动力性能分析,提出了桥梁结构地震位移控制方法。徐略勤等[17]分析了地震作用下板式橡胶支座摩擦滑移对非规则梁桥碰撞效应的影响。在桥梁抗震中,铅芯橡胶支座也是重要的一部分,王丽等[18]对采用钢支座、板式橡胶支座和铅芯橡胶支座的普通铁路简支梁桥结构的地震响应特性和减隔震性能进行了比较,并提出了铅芯直径对抗震性能的影响。吴斌等[19]对铅芯橡胶支座进行了试验研究,提出了铅芯支座的非线性参数计算公式进行了分析。

我国国土南北跨度大,板式橡胶支座的环境温度有较大差异。寒冷地区冬季最低气温更是达到-30°左右,环境温度对橡胶材料力学性能有较大影响[20],进而影响到桥梁在地震作用下的反应[21]。然而对于板式橡胶支座在地震作用下的摩擦滑移性能的研究一般是在常温状态下进行的,对低温下的研究较少。因此,为研究环境温度对板式橡胶支座摩擦滑移性能的影响,在支座摩擦滑移性能试验的基础上,建立了考虑温度影响的板式橡胶支座三维有限元分析模型。在验证模型正确的前提下,分析温度对支座摩擦滑移滞回性能、等效黏滞阻尼比及滑移点的影响,以期为低温环境下采用板式橡胶支座的桥梁进行抗震设计和分析提供依据和参考。

1 板式橡胶支座摩擦滑移试验及模拟

1.1 试验概况

为了获得常温下支座摩擦滑移的性能参数,开展了不同压力下的支座摩擦滑移试验,加载装置如图1所示。在支座上顶面专门制作了连接板,以便支座与加载设备进行连接,支座底部为常规的橡胶垫层,用于与支承垫石摩擦。支座采用单面锚固,通过上封板将支座顶面与加载装置连接,在水平往复荷载作用下,支座底面橡胶层在支承面上发生摩擦滑移(图2),试件参数列于表1。采用水平位移与支座橡胶层厚度的比值,即等效剪切应变表示加载位移。

表1 支座试验参数Table 1 Test parameters of bearings

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

图2 支座摩擦滑移试验布置图Fig.2 Layout of frictional sliding test on bearings

试验结果表明,板式橡胶支座在往复荷载作用下将产生摩擦滑移耗能,竖向压力会使其剪切变形增大,滑移距离减小,如图3所示;且滑移摩擦系数与竖向压力呈反比例关系,如图4所示。具体试验过程及结果详见文献[23]。

图3 摩擦系数与位移关系Fig.3 Relationship between friction coefficient and displacement

图4 摩擦系数与压应力关系Fig.4 Relationship between friction coefficient and compressive stress

1.2 有限元模型的建立

为了研究环境温度对板式橡胶支座摩擦滑移性能的影响,采用ABAQUS有限元分析软件建立板式橡胶支座分析模型,通过调整材料属性、摩擦接触及有限元网格等参数,实现与实物试验结果具有较好的契合度,保证模型计算精准度。

由于橡胶的超弹不可压缩性,计算时采用Mooney-Rivlin本构模拟橡胶材料的力学性能。取常温下支座剪切模量G为1.0 MPa,计算可得橡胶材料本构参数C10=0.42和C01=0.11,从而确定出橡胶的Kirchoff应力张量和Green应变张量的关系。试验用支承钢板和支座内的钢板则采用线弹性模型模拟,取弹性模量E为2×105MPa,泊松比μ为0.3。其中橡胶层采用减缩积分六面体单元进行网格划分,钢板则采用杂交六面体单元划分网格,考虑到计算收敛效果及准确性,网格大小定义为10 mm。

另外,支座摩擦滑移试验表明,支座内部钢板和橡胶不会发生撕裂破坏。因此,模拟时支座内部橡胶与钢板的连接采用绑定约束。而支座与支承钢板间的滑移摩擦则采用库伦模型模拟。同时,采用Newton-Raphson求解器,考虑支座在大变形状态下的几何非线性问题。图5为支座有限元模型及在6 MPa竖向压力下等效剪切变形达到300%时支座的变形情况。

图5 支座有限元模型及变形图Fig.5 Finite element model and deformation diagram of bearing

1.3 支座摩擦滑移性能

为了验证板式橡胶支座模型的有效性,首先将有限元模拟得到的不同压力下的支座水平力-位移滞回曲线与支座摩擦滑移试验结果进行了对比,如图6所示(以竖向压强6 MPa下试件R1为例)。由图可见,模拟结果与试验曲线吻合度较好,表明有限元模型能够较好的反映支座摩擦滑移各阶段的水平剪切变形和滞回耗能特性。其中存在的偏差主要是由于橡胶材料本构模型无法完全反映加载初期橡胶层强度退化和硬化现象所导致。

图6 300%水平位移模拟、试验结果(6 MPa)Fig.6 Simulation and test results of 300% horizontal displacement (6 MPa)

此外,对比分析了支座开始滑移后,即等效剪切应变大于等于200%时的等效黏滞阻尼比,以R1和R2为例(表2)。结果表明,二者数值较为接近,最大相差不超过10%。以上对比结果表明有限元分析模型能够较好地反映支座摩擦滑移的耗能特性。

表2 试验、模拟等效黏滞阻尼比对比Table 2 Comparison of tested and simulated equivalent viscous damping ratios

2 温度对支座摩擦滑移性能的影响

为进一步分析环境温度对支座摩擦滑移性能的影响,建立了4种不同形状系数的支座模型,模型参数列于表3。

表3 支座模型参数Table 3 Parameters of bearing model

由《公路桥梁板式橡胶支座技术标准》(JT/T 4-2004),取寒冷地区气温低于-25 ℃时支座剪切模量G为2.0 MPa,计算可得橡胶材料本构参数C10=0.833,C01=0.168。由文献[22],取低温时支座摩擦系数0.38。

2.1 温度对板式橡胶支座摩擦滑移耗能的影响

在相同竖向压力(4 MPa)作用下,对比了常温25 ℃和低温-25 ℃条件下支座在水平往复荷载下的滞回曲线。以S1为例,如图7所示,在各个位移加载阶段,温度越低支座的摩擦滑移耗能效果越好。在等效剪切应变100%时,低温下支座摩擦滑移耗能比常温下多37.50%。

图7 环境温度对支座滞回性能的影响(3.45 MPa)Fig.7 Influence of ambient temperature on hysteretic behavior of bearing (3.45 MPa)

2.2 温度对支座等效黏滞阻尼比的影响

图8为支座的等效黏滞阻尼比与温度的关系曲线。可以看出,随着温度的升高,支座的黏滞阻尼比在不断降低,其中S4号支座在-25 ℃和25 ℃时,黏滞阻尼比相差了17%,这与已有试验的结果相吻合[21]。同时,随着形状系数的减小,橡胶层厚度不断加大,支座的黏滞阻尼比随之增大。

图8 温度对支座等效黏滞阻尼比的影响Fig.8 Effect of temperature on equivalent viscous damping ratio of bearing

2.3 温度对支座摩擦滑动起始距离的影响

板式橡胶支座的起始滑移距离是支座在水平地震作用下由可控转变为不可控运动状态的重要参考,支座在该点将由静摩擦转变为滑移摩擦,对于桥梁上部结构的位移控制具有较大影响。如图9所示,随着温度的升高(-25～25 ℃),支座的起始滑移距离也越大,支座进入摩擦滑移状态的水平位移越长。这主要是由于寒冷状态-25 ℃时板式橡胶支座的剪切刚度大于常温状态25 ℃,导致在相同上部结构位移作用下,-25 ℃时的支座剪切变形更小,更早的进入摩擦滑移状态。因此,对于寒冷地区采用板式橡胶支座的桥梁更应注意控制地震作用时桥梁上部结构的位移,防止落梁。