桥梁滑移减隔震支座力学性能分析

崔海军

（扬州工业职业技术学院建筑工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引言

桥梁工程作为城市交通运输中不可或缺的重要组成，一旦发生严重破坏就会导致地震损失最大化，近年来减隔震支座以采用减隔震支座变形有效耗散地震能量的优势，被广泛用于桥梁工程中，可以最大化有效控制桥梁结构关键部位地震响应[1]。比较常用的桥梁减隔震支座包括整体型、分离型这两类，前者兼备阻尼器功能，后者采用天然橡胶制作配合各类阻尼器，两者均具有有效隔振及耗散能量的支座功能。因为在实际桥梁工程中，对支座的承载力、抗变形力要求较高，为了更好地达到作用力传递及结构变形所需，新型桥梁减隔震组合应用方法应运而生[2]。根据桥梁结构实际应用中受力和变形需求，将聚四氟乙烯滑板支座与铅芯橡胶隔震支座的优点充分结合，设计了实用新型桥梁减隔震支座，本文对其力学性能应用有限元仿真模拟进行分析。

1 桥梁滑移减隔震支座的设计

图1为新型桥梁滑移-铅芯减隔震支座，其结构采用上下串联形式，上下部分均设计有转换装置，分别为聚四氟乙烯-不锈钢板滑移装置、铅芯橡胶垫与不锈钢钢板，具有低摩擦滑动的大位移优势，该支座能够发挥多向滑移功能，在桥梁纵横双向结构的设计上均考虑了具体滑移量。经上部摩擦滑移装置，产生温度、混凝土徐变与车辆制动所需位移；下部摩擦滑移装置在地震作用下，可以提供较大摩擦位移和耗能，这样可以对桥梁上部分结构形成有效保护作用力[3]。铅芯橡胶垫可以在上下部结构发生位移最大化情况下，有效耗散地震能力，从而充分减小地震对桥梁结构的损害，也可以一定程度上减小桥梁上部梁体位移，预防发生桥梁震落。

图1 新型桥梁滑移-铅芯减隔震支座

2 桥梁滑移减隔震支座力学性能数值分析

桥梁实用新型减隔震支座力学性能主要受三方面的影响，分别是摩擦滑移装置、转换装置、铅芯橡胶隔震装置，为了分析桥梁滑移减隔震支座的力学性能，建立有限元模型与理论分析模型进行对比。

2.1 有限元模型

此支座经上部摩擦滑移装置，形成温度、车辆制动与混凝土徐变所需位移，根据此减隔震支座的设计、力学性能理论原理，建立有限元仿真模型（见图2）。下部滑动摩擦位移可以在地震作用下提供较大的摩擦位移并耗能，保护上部结构，同时在上部和下部结构位移达到限值时，利用中部铅芯橡胶隔震支座的耗能能力耗散地震能量，减小桥梁结构的震害，并减小了上部梁体的相对位移量，有效地防止落梁震害的发生[4]。

图2 有限元仿真模型

通过建立桥梁滑移减隔震支座精细化有限元数值模拟模型，基于ANSYS/LS-DYNA进行隐式-显式分析，进行竖向压力加载与水平位移加载，分析支座内部受力状态，获得支座力-位移滞回曲线（见图3）。

图3 滑移摩擦支座理论力-位移曲线

2.2 有限元分析对比理论模型计算结果

根据有限元软件ANSYS，建立此减隔震支座有限元模型，包括8987个单元与12431个节点，设计不同剪应变工况（见表1）。计算结果见表2，可以发现，对于同样竖向压力和加载频率基础工况条件下，设计50%剪应变与100%剪应变的工况条件，基本形成一致的力-位移滞回趋势，可以建立双线性恢复力曲线[5]。

表1 工况设计

根据所建立的有限元模型模拟得出力学特性参数，对比理论模型结果（见表2），发现有限元模型分析力学性能所得参数情况，基本接近于理论分析减隔震支座的力学性能，证明了有限元模型能够对减隔震支座的力学性能有较精准地反映，与理论分析结果差异不大。

表2 减隔震支座力学性能参数

3 桥梁滑移减隔震支座力学性能试验

3.1 竖向压缩性能

本次设计新型桥梁滑移减隔震支座为铅芯橡胶减隔震支座，能够发挥多向滑移功能，在桥梁纵横双向结构均设计具体滑移量。因此对竖向压缩性能进行试验，应用大型压剪试验机设计正弦波持续加载作用力，主要对正弦波的幅值、频率进行调整，设计试验中的不同加载工况。本试验减隔震支座的最小截面是70686mm2，设计10MPa竖向压应力，持续加载3次竖向压缩力，加载方式选择0~Pmax~0的方式，根据P0= 70686×10 = 707kN，计算减隔震支座竖向压缩刚度，公式如下：

式中：

P1、P2——分别取值0.7P0、1.3P0；

Y1、Y2——作为第三次循环所产生的位移最大、最小值。

此减隔震支座竖向压缩性能试验的结果见表2，这一结果接近于铅芯橡胶垫支座的压缩刚度范围，证明该支座的摩擦滑移装置在经过多次持续压缩、竖向加载后，也未见上部摩擦滑移装置有明显偏置、鼓出等不良情况，所以能够满足桥梁的减隔震性能需求。

表2 新型减隔震支座压缩性能试验结果

3.2 剪切变形性能

为了对该减隔震支座的剪切变形性能进行分析，在试验中设计三种工况，分别是不同剪切位移、不同竖向压力、不同滑移量。

在20mm滑移条件下，该支座的剪切性能滞回结果反映出，随着剪应变逐渐增加，支座耗能随之加大，装置上部分所受剪应变在功能上影响较小，正反两方向的支座在滑移区间所受剪切位移影响不大。通过对比发现，支座滑移之后隔震垫的性能情况是：下部装置随着剪切位移的增加，在一定程度上装置刚度随之减小，表现为滑移后支座曲线的不规律曲折变化，这一情况主要是因为铅芯橡胶垫内部铅芯未紧密填充所致。

通过对此新型滑移减隔震支座施加竖向压载作用力，分析对剪切变形性能的影响，包括支座耗能情况、摩擦力与摩擦系数的试验结果。从表3可知，随着逐渐增加的竖向压力，支座摩擦力、耗能、摩擦系数在一定程度上均提升，证明竖向压载作用力会在很大程度上影响减隔震支座的剪切性能，随着压应力的不断提升，支座上部装置摩擦力随之增加，也就明显增强了支座的减震性能。

表3 竖向压力对剪切性能影响

4 结束语

通过对一款新型桥梁滑移减隔震支座的结构装置原理加以阐述，并建立支座有限元数值模拟分析，所得结果基本吻合于理论模型计算结果，证明了本次设计的支座所用铅芯橡胶垫有稳定的剪切性能。并设计剪切位移、竖向压力、滑移不同工况条件下的剪切性能试验，有限元数值模拟分析结果证明，该减隔震支座具有良好的摩擦滑移与减隔震性能，有限元数值模拟分析能够比较准确地反映桥梁滑移减隔震支座的力学性能。