新型高阻尼橡胶隔震支座在工程中等效水平与力学性能试验

徐 洁,郑宣宣,张 喆

(陕西工业职业技术学院,陕西 咸阳 712000)

中国幅员辽阔,在广袤的土地和绵长的海岸线上分布着多个地震带。一旦发生地震,桥梁、建筑等的破坏几乎不可避免。因此,加强建筑工程结构中支座的隔震作用是非常重要的。当前国家在进行一般桥梁、建筑等工程防震时,通常都是引入铅芯叠层橡胶隔震支座,对不同的建筑物及其各部分结构进行支持,以帮助建筑物在承受地震运动时能够充分减震。然而,这种装置的缺陷明显,低温情况下容易发生硬化,导致隔震性能降低[1]。因此,开发出一些新的材料,能够在不大幅改变支座整体结构的同时增强装置的抗低温性等性能,成为建筑工程领域的重要研究方向。本文研究了高阻尼橡胶材料支座在工程结构中的隔震作用,通过实验分析验证了该材料的综合性能,材料的一些隔震性能、安全及环保性能等,认为高阻尼橡胶材料是一种较为适合应用于隔震支座的现代新型材料。

1 高阻尼橡胶材料支座

高阻尼橡胶材料支座(HDRB)是由高阻尼橡胶(HDR) 和钢板硫化粘接而成,HDR作为HDRB 的重要组成部分,其力学性能和本构关系对 HDRB 的影响至关重要。本试验应用于建筑结构上的高阻尼橡胶隔震支座, 橡胶材料是决定性能的关键,本文设计NR/NBR二元复合橡胶材料的新配方进行制备,并对橡胶制备所需要的材料、仪器、试验设备和工艺流程进行了阐述。

1.1 高阻尼橡胶支座的构造

HDRB 是由多层钢板与多层橡胶在高温下硫化粘接而成,其中钢板对橡胶层有约束作用,提供竖向刚度,HDR提供水平柔度,HDRB 采用的是具有粘弹性的HDR,不仅使支座具有很好的弹性恢复力,还具有良好的耗能能力,相比较需要附加阻尼器提供阻尼的普通橡胶支座,HDRB 可以节省空间,同时便于施工。

1.2 高阻尼橡胶支座的力学性能

HDRB 是连接主梁和桥墩的重要构件,掌握其力学性能和性能劣化规律对桥梁的设计与使用具有重大意义。HDRB 的基本力学性能大都采用电液伺服加载系统进行试验,通过对 HDRB在不同压力、剪应变、加载频率、温度等条件下进行试验,获得 HDRB 的等效刚度、等效阻尼比和耗能能力等力学性能。

1.3 高阻尼橡胶支座的本构模型

HDRB 力学性能复杂,不能用简单的模型准确描述其力学行为,因此能准确表征其滞回特性的模型是目前主要研究内容之一。在规范JT-T 842—2012《公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座》中,采用双线性恢复力模型来简化模拟 HDRB 的本构关系。基于振动台试验对规范中的双线性模型进行了修正,修正后的模型可以更好地反映在经历大应变后的小应变力学行为,采用修正的双线性滞回模型描述HDRB力学行为。

2 力学性能试验研究

2.1 动力装置

如图1所示为实验设备的水平和竖向加载设备。水平加载设备(动力液压伺服作动器)选用的是烟台伟航电液设备有限公司的。该动力液压伺服作动器主要负责为实验提供水平方向的位置、速度以及力矩变化。反馈电位器与指令电位器接成桥式电路。反馈电位器滑臂与控制对象相连,其作用是把控制对象位置的变化转换成电压的变化。在进行高阻尼橡胶材料支座综合性能实验时,液压伺服作动器的最高加载工作值可以达到9 000 kN以上,水平位移是310 mm左右。竖向加载是自动平衡装置,主要由4个竖向静力动作器组成,其在实验过程中的最大工作值为750 kN,减少设备在工作中的摩擦力也起到了保护设备的主要作用[2-3]。

图1 水平和竖向加载示意图

2.2 试件材料

本实验的试件高阻尼橡胶材料支座主要分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ这3类,其平面尺寸和橡胶层数相同,均为410 mm×410 mm×7层。其中,每类橡胶材料的总厚度为110 mm,每层的厚度均为18 mm。实验中,高阻尼橡胶材料的水平剪切采用G12(1.2 N/mm2)进行[4-5]。

2.3 试验方案

在进行模拟实验时,首先进行顺应变加载试验,需设定高阻尼橡胶材料支座竖向荷载为960 KN。将正弦激励波输入到水平动力液压伺服动作器中,并对四类实验材料分别输入不同的正弦波(0.1、0.3、0.5 Hz),然后再将振幅进行转变(50%、100%、150%),将该实验步骤重复进行6次,每一振幅试验完成之后需要静置 1 d,带其弹性状态恢复之后再进行重复[6]。

3 试验结果与分析

3.1 高阻尼橡胶支座的水平性能

将第1批试件Ⅰ、Ⅱ进行水平方向的性能试验,然后分析和计算水平力和位移的变化值(50%、100%、150%和200%)。最后进行等效水平刚度(Feq)和等效阻尼比(Peq)的计算:

(1)

(2)

式中:N+表示曲线最大水平正位移;N-表示最大水平复位移;M+表示N+对应的水平力;M-表示N-对应的水平力;T表示滞回曲线形成的面积[7-9]。

由式(1)和式(2)可知试件Ⅰ、Ⅱ在不同振幅下的参数,结果如表1所示。

表1 试件Ⅰ、Ⅱ的主要参数Tab.1 Main parameters of specimen Ⅰ and Ⅱ

由表1可知,试件Ⅰ、Ⅱ等效水平刚度随应变幅值的增大呈递减趋势,试件的等效阻尼比基本无太大变化,且试件的等效阻尼比基本都保持在23%以上,说明试件Ⅰ、Ⅱ等效阻尼比随应变幅值的变化较小,且试件的等效阻尼比较好[10]。

3.2 高阻尼橡胶材料支座隔震力学性能的相关性研究

3.2.1应变幅值对高阻尼橡胶支座性能的影响

选取材料Ⅲ研究应变幅值对高阻尼橡胶支座性能的影响,设定实验的竖向压力为12 MPa,激励频率为0.02 Hz,将应变幅值从15%涨到270%,在应变幅值变化过程中将材料Ⅲ的动态水平性能的滞回曲线进行记录,并根据这些数据计算出材料Ⅲ在应变幅值变化中的效水平刚度和等效粘滞阻尼比,结果如图2、图3所示[11-12]。

图2 等效水平刚度随应变幅值的变化曲线

图3 等效阻尼比随应变幅值的变化曲线

由图2可知,当应变幅值小于120%时,材料Ⅲ的等效水平刚度随应变幅值的增大而减小;当应变幅值大于120%时,材料Ⅲ的等效水平刚度变化较小,基本呈不变趋势。由于应变幅值越大高阻尼橡胶材料支座的刚度越小,说明其隔震效果越佳[10-11]。

由图3可知,材料Ⅲ的等效阻尼比随应变幅值的变化先呈较大变化,之后基本保持不变。数值变化的分水岭为应变幅值为120%,当应变幅值小于120%时,材料Ⅲ的等效阻尼比保持在20%～30%;当应变幅值大于120%时,材料Ⅲ的等效阻尼比基本保持不变约为16%。由此可知,当应变幅值越小高阻尼橡胶材料支座的等效阻尼比越大。

3.2.2激励频率对高阻尼橡胶支座性能的影响

研究激励频率对橡胶支座性能的影响时,将系统的激励频率应变幅值设定为一恒定值100%,竖向面压为12 MPa,通过实验得到相关频率数据和位移滞回曲线图,结果如图4所示[13]。

(a)等效水平刚度随频率的变化曲线

由图4可知,各频率下的水平力和位移的滞回曲线基本上处于重合的状态,等效水平刚度和等效阻尼比基本上不随着频率的变化而变化。因此,从变化曲线上观测波动相对较小,激励频率与高阻尼橡胶支座是成正比的[14]。

3.3 隔震分析实例概述

3.3.1大桥概况

拟建大桥桥位处于南方某山部地区,由于受地形影响地质构造较为特殊,山体连绵起伏,走向与构造线呈小角度相交,为NE～SW向展布[16-17]。本桥起点桩号为K013+551.55,终点桩号为K013+855.05,全长304 m,为弧形桥,其半径为795 m,上部结构为(16×22)m。桥箱使用预应力钢筋混凝土,下部桥体设计成圆柱形状,采用钢筋混凝土进行浇筑。

3.3.2隔震分析计算内容

(1)隔震前后桥梁的有限元建模及其动力特性分析;

(2)E1水准地震作用下,整桥不隔震与隔震的位移和内力及对比;

(3)E2水准地震的作用下,整桥不隔震于隔震的位移对比度。

3.3.3隔震分析地震动参数选取

(1)隔震测试设置基本地震加速度为0.25 g,设防烈度为7度;

(2)隔震测试场地选取为中级建筑场地,场地特征周期Tg=0.55 s;

(3)将分组设计分为3组实验;

(4)地面输入加速度记录地震反应分析时,设置普通地震为E1=75 cm/s2,罕遇地震E2=255 cm/s2[18]。

3.4 实例分析结果

通过以上隔震分析结算内容下可得出2种结果,首先是对隔震桥梁实验相关情况进行介绍,主要包括到有桥梁的几本说明/数值分析等,其次考虑到隔震结构的地震响应与速度输出的地震动强度密切相关。因此,实验中输入并且分析在2种不同的地震水准下,3种橡胶支座的速度相关性对隔震桥梁地震响应的影响,最后基于实时子结构实验结果,对比3种橡胶相关性模型和速度无关的双折线模型在隔震桥梁动力时呈分析中的效果。

4 结语

(1)通过研究Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ这3类不同高阻尼橡胶材料支座的等效水平刚度、等效阻尼比等数据,得到了相关验证。当材料的阻尼比大于20%时,材料的阻尼性能较好;

(2)应变幅值对材料的水平刚度与竖向压力有显著影响。当应变幅值增大时,等效水平刚度的变化为先减小后保持平稳,其随竖向压力的增大呈正增长;而等效阻尼比的变化不明显,当应变幅值较小时其数值较大;

(3)当应变幅值小于120%时,材料Ⅲ的等效水平刚度随应变幅值的增大而减小;当应变幅值大于120%时,材料Ⅲ的等效水平刚度变化较小,基本呈不变趋势。由于应变幅值越大高阻尼橡胶材料支座的刚度越小,综合而言本次实验的高阻尼橡胶材料所构建的减震支座结构整体减震效果较佳。除此之外,由于该类型橡胶的污染性先比一般铅金属或橡胶成分而言没有污染,环保性能显然更好。