李　涵,袁萬城,田圣澤,黨新志(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室,上海　200092)

鋼絲網(wǎng)復(fù)合橡膠減隔震支座試驗及有限元模擬

李涵,袁萬城*,田圣澤,黨新志
(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室,上海200092)

摘要:針對現(xiàn)有板式橡膠支座力學(xué)性能的不足,通過采用高強細(xì)密鋼絲網(wǎng)代替加勁鋼板,設(shè)計一種適用于中小跨徑橋梁的新型減隔震支座,并對該新型支座的豎向和水平向力學(xué)性能進(jìn)行試驗探究。試驗結(jié)果表明:新型支座的各向力學(xué)性能良好,且可以通過傾覆滾動實現(xiàn)大剪切變形。最后,用ANSYS有限元程序模擬新型支座的豎向力學(xué)性能,得到與試驗相符的結(jié)果。

關(guān)鍵詞:高強細(xì)密鋼絲網(wǎng);橡膠減隔震支座;力學(xué)性能試驗;有限元

隨著地震的頻發(fā)以及橋梁震害的不斷發(fā)生,減隔震設(shè)計的重要性日漸突出。最常用的減隔震設(shè)計方法是設(shè)置減隔震支座,而減隔震支座體型大、質(zhì)量大、造價高,多用于大跨徑及重要等級較高的橋梁,我國公路橋梁中近80%為連續(xù)梁橋和簡支梁橋,多采用板式橡膠支座。但是震害調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于板式橡膠支座沒有減隔震的作用機(jī)制,且其水平位移能力不足,采用該類支座的梁式橋在大震下會發(fā)生支座移位或落梁震害,嚴(yán)重威脅了生命線工程的安全。因此目前亟需研發(fā)一種新型橡膠減隔震支座,使其具有更大的水平位移能力,且兼有板式橡膠支座構(gòu)造簡單、造價低、安裝方便的優(yōu)點。板式橡膠支座是由鋼板和橡膠層疊構(gòu)成,鋼板作為加勁材料約束橡膠層在豎向荷載下的外鼓變形,從而提供支座豎向承載能力,但因鋼板占據(jù)支座一定高度,又不能提供水平剪切變形,在支座高度因穩(wěn)定性不能無限增大的條件下,限制了支座水平位移能力?？紤]到鋼板占據(jù)了支座大部分重量,本文嘗試采用厚度薄、輕質(zhì)、高強的柔性材料代替鋼板作為板式橡膠支座的加勁層,以進(jìn)一步提高支座水平位移能力,還可大大減小支座重量,減少支座生產(chǎn)勞動力,降低造價。

目前國內(nèi)外已有學(xué)者研究采用其他材料代替板式橡膠支座的加勁鋼板,以提高板式橡膠支座的力學(xué)性能,但大都局限于提高板式橡膠支座的豎向承載能力,對改進(jìn)水平力學(xué)性能的研究尚少。目前提出的替代加勁鋼板的材料不盡相同,但均限定在纖維增強產(chǎn)品,比如碳纖維布、FRP板、玻璃纖維板等［1－5]。其中研究較多的是FRP橡膠支座,文獻(xiàn)［4]用有限元結(jié)合試驗分析了FRP橡膠支座的豎向壓縮性能,在豎向剛度略有減小的情況下,滿足支座承載能力要求。文獻(xiàn)［6－13]從板式橡膠支座構(gòu)造入手,提出用柔性纖維復(fù)合增強材料(FRP)代替減隔震支座中的加勁鋼板,以減小減隔震支座重量,降低造價,同時利用纖維間的摩擦來增大支座的阻尼,以提高支座耗能能力。在試驗當(dāng)中,支座發(fā)生大水平位移下的翹曲,但是這部分能力并未得到重視和利用,且國內(nèi)一些學(xué)者將此現(xiàn)象視為支座失穩(wěn),而不對其進(jìn)行深入探究。若能利用支座的翹曲傾覆,使支座實現(xiàn)更大的水平位移,則支座能發(fā)揮出減隔震作用。

本文提出一種采用高強細(xì)密鋼絲網(wǎng)代替加勁鋼板的復(fù)合橡膠減隔震支座,并對其各向力學(xué)性能進(jìn)行靜力試驗研究,得到相應(yīng)力學(xué)特性參數(shù),便于工程推廣應(yīng)用;最后,用ANSYS有限元程序建立新型支座的實體有限元模型,分析新型支座的豎向力學(xué)性能并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比;驗證模擬的準(zhǔn)確性,并進(jìn)一步分析新型支座豎向荷載下的內(nèi)部應(yīng)力及極限豎向荷載。

1　各向力學(xué)性能試驗

新型支座采用的加勁材料高強細(xì)密鋼絲網(wǎng)是用冷拔鋼絲編織成一定目數(shù)的強度高、厚度薄且呈柔性的網(wǎng),單根鋼絲抗拉強度可以達(dá)到2 000 MPa。由于鋼絲網(wǎng)復(fù)合橡膠減隔震支座的構(gòu)造方式與普通板式橡膠支座相同,因此支座的生產(chǎn)流程類似。相比于普通板式橡膠支座,新型支座的加勁層很薄,僅1 mm,單層橡膠層厚度為2 mm,橡膠層總厚度不變,而加勁層層數(shù)幾乎增多了1倍,且支座總高度幾乎不變。該支座省去了減隔震支座常用的上下端板,重量大大減輕,且安裝方便。其上下面直接與梁底和墩頂?shù)幕炷两佑|,用作活動支座,因其水平極限位移比原有板式橡膠支座大大提高,故可以有效減少支座脫落和落梁的發(fā)生。

由于采用高強細(xì)密鋼絲網(wǎng)作為支座加勁材料在國內(nèi)外還是初探,對于支座的力學(xué)性能還有待試驗驗證,本文對此新型支座進(jìn)行了豎向和水平向力學(xué)性能的靜力試驗,試驗均按照文獻(xiàn)［14]中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

1.1試驗

為了評測鋼絲網(wǎng)加勁材料的強度和對橡膠的約束作用,以及其隨橡膠的變形能力,設(shè)計4種型號的新型橡膠支座試樣(記為A、B、C、D),每種型號2塊,進(jìn)行支座抗壓彈性模量、抗壓極限承載能力、抗剪彈性模量、剪切極限承載能力試驗,試驗步驟均參照文獻(xiàn)［14]對板式橡膠支座的相關(guān)試驗規(guī)定,試驗在YAW－5000電液伺服橡膠支座壓剪試驗機(jī)上進(jìn)行。支座試樣構(gòu)造尺寸如表1所示。

表1　支座試樣構(gòu)造尺寸表

首先對1#、3#、5#、7#、8#支座進(jìn)行抗壓彈性模量測試,然后對A、B、C、D組支座進(jìn)行雙剪試驗,測試支座抗剪彈性模量,并進(jìn)一步測試其剪切極限承載能力,最后對2#、4#、6#、8#支座進(jìn)行抗壓極限承載能力測試。

1.2結(jié)果分析

1)豎向力學(xué)性能

各組支座抗壓彈性模量試驗結(jié)果及相同平面尺寸的現(xiàn)有板式橡膠支座抗壓彈性模量試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1　新型支座和同平面尺寸普通板式橡膠支座抗壓彈性模量試驗結(jié)果對比

由圖1可以看出,鋼絲網(wǎng)復(fù)合橡膠減隔震支座可以大大提高支座的豎向剛度,且隨著單層橡膠層厚度的減小,或是鋼絲直徑的增大,支座的抗壓彈性模量相應(yīng)增大,由此說明,新型支座的豎向受力性能規(guī)律仍符合板式橡膠支座的豎向受力性能規(guī)律,即支座豎向剛度受加勁層對橡膠的約束作用影響。

對于抗壓極限承載能力,除A組支座在50 MPa壓應(yīng)力下破壞外,其余支座均在17～30 MPa發(fā)生破壞。由于試樣在剪切極限承載能力試驗后未進(jìn)行應(yīng)力釋放直接用于抗壓試驗,該試驗結(jié)果因受支座殘余應(yīng)力影響而偏小。觀察新型支座在設(shè)計使用極限荷載10 MPa下的受力性能,橡膠層無明顯外鼓變形,受力良好,說明可以滿足支座的正常使用。為了提高支座的承載能力,在支座鋼絲網(wǎng)加勁層上均勻撒滿一定質(zhì)量散亂分布的鋼纖維,利用鋼纖維和鋼絲網(wǎng)的共同作用提高支座豎向承載能力,對改進(jìn)后的試樣進(jìn)行豎向承載力試驗,發(fā)現(xiàn)支座抗壓極限承載能力確實得到了提高,達(dá)到70 MPa,滿足現(xiàn)有規(guī)范要求。而對更大尺寸的支座試樣,鋼纖維的增強效果還有待進(jìn)一步試驗研究。

2)水平向力學(xué)性能

由于鋼絲網(wǎng)加勁層的特殊構(gòu)造,支座的各個橡膠層上下透過加勁層連接為一個整體,故橡膠層厚度可以視為支座全高,大大提高了支座的剪切變形能力,從試驗結(jié)果也可以得到驗證。支座的水平剪切剛度約為1.0 MPa,符合規(guī)范規(guī)定的1.0～1.2 MPa范圍。極限剪切變形能力達(dá)到了200%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有抗震規(guī)范規(guī)定的板式橡膠支座100%剪應(yīng)變極限［15]。且在大的水平位移下,支座側(cè)表面完全傾覆后發(fā)生了滾動剪切變形,如圖2所示。

圖2　支座側(cè)表面完全傾覆狀態(tài)

2　基于ANSYS的豎向力學(xué)性能

2.1建模

1)橡膠本構(gòu)模型

橡膠是典型的非線性材料,具有超彈性,體積幾乎不可壓縮。在ANSYS提供的9種橡膠本構(gòu)模型中選用較為簡單和常用的兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型［16－19]:

式中: W為應(yīng)變能密度函數(shù); J為材料變形前后的體積比,因橡膠為幾乎不可壓縮材料,J約為1; Ip(p =1,2)為應(yīng)變不變量; Ip(p =1,2)為偏差應(yīng)變不變量,Ip= J－2/3Ip; c10、c01和d為材料常數(shù),其中d和體積彈性模量k有關(guān),k =2/d,橡膠體積彈性模量k一般取2 000 MPa,c10、c01通過ANSYS的橡膠單軸拉伸試驗應(yīng)力－應(yīng)變曲線擬合功能自動生成并代入數(shù)值計算［20]。橡膠單軸拉伸試驗方法參照文獻(xiàn)［21],得到c10= 0.581 58,c01=0.117 14。

2)有限元模型

以試驗所用的1#支座試樣構(gòu)造為依托,建立實體有限單元模型,支座原型及有限單元模型如圖3、4所示。

為了簡化模型,將細(xì)密鋼絲網(wǎng)加勁層按橫截面面積相等的原則換算成等平面尺寸的鋼板,等效鋼板厚度經(jīng)計算為0.34 mm。實體模型中,橡膠采用8節(jié)點實體單元SOLID185,等效加勁鋼板及承載板采用8節(jié)點實體單元SOLID45。橡膠支座與加載板之間用接觸對來模擬接觸,并假定加載板與支座之間不發(fā)生相對滑動。接觸類型為剛體－柔體面面接觸,支座面采用CONTA173(3D4節(jié)點)單元,加載板面采用TARGE170(3D8節(jié)點)單元。

圖3　新型支座構(gòu)造　

圖4　支座有限元模型

為得到支座承載能力,將等效鋼板材料本構(gòu)關(guān)系假設(shè)為理想彈塑性,線彈性段的彈性模量取為205 GPa,泊松比為0.3,屈服應(yīng)力為2 000 MPa,屈服后的切線模量為0。

由于支座以及加載方式均具有對稱性,建模時采用1/4支座有限元模型。網(wǎng)格劃分時,單元最大尺寸與最小尺寸比例最大約為8∶1。在實際使用狀態(tài)下,橡膠支座內(nèi)部的鋼板和橡膠完全粘合,不發(fā)生相對位移,因此采用橡膠和鋼板單元共節(jié)點模擬橡膠與鋼板的接觸面,以簡化計算模型。支座對稱面施加對稱約束,下加載板底面施加固定約束,上加載板頂面約束水平面內(nèi)位移。

2.2豎向力學(xué)性能模擬結(jié)果

1)支座抗壓彈性模量

數(shù)值模擬結(jié)果顯示,支座抗壓彈性模量為575 MPa,與試驗結(jié)果比差值＜5%,說明模型的簡化以及參數(shù)的選取是可行的。通過采用相同的方法對相同平面尺寸的定型普通板式橡膠支座進(jìn)行有限元模擬,得到抗壓彈性模量為322.55 MPa,與按文獻(xiàn)［14]經(jīng)驗公式計算出的抗壓彈性模量相吻合,再次驗證有限元計算結(jié)果的有效性。

2)支座的變形及加勁層應(yīng)力分布

在10MPa豎向荷載下,支座的變形情況如圖5所示,可以看出,橡膠層在豎向荷載下會發(fā)生橫向膨脹變形,而加勁層幾乎沒有變形,橡膠的橫向膨脹會受到加勁層的約束,內(nèi)部處于三向受壓狀態(tài),承載能力得到提高。加勁層由于要約束橡膠的橫向膨脹,自身受拉,其等效應(yīng)力分布如圖6所示(圖中應(yīng)力單位為MPa)。從圖6a)中可以看出,加勁層應(yīng)力分布從中心向四周呈環(huán)狀逐漸減小,這是受橡膠橫向膨脹作用累積的結(jié)果,中心部位受到的膨脹作用大,越向邊部受到的膨脹作用越小。圖6b)表明豎向荷載下各層加勁層應(yīng)力分布情況相同,大小基本相等。

圖5　豎向荷載下支座變形情況

圖6　豎向荷載下加勁層等效應(yīng)力

3)支座極限抗壓承載能力

支座破壞原因往往是鋼板達(dá)到極限抗拉強度,而在ANSYS模型中當(dāng)施加70 MPa荷載時,新型支座加勁鋼板的最大應(yīng)力僅為663 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼絲極限抗拉強度2000 MPa,理論上說明支座豎向承載能力可達(dá)到70 MPa,而試驗結(jié)果承載力較小是由于材料缺陷、殘余應(yīng)力等不利因素的影響。

3　結(jié)語

鋼絲網(wǎng)復(fù)合橡膠減隔震支座是將高強細(xì)密鋼絲網(wǎng)代替鋼板作為加勁材料的新型減隔震支座。試驗表明:鋼絲網(wǎng)能很好地與橡膠結(jié)合,并提供給新型支座優(yōu)良的豎向承載能力;相比于原有板式橡膠支座,新型支座水平極限位移增大,更符合橋梁遭遇地震時結(jié)構(gòu)的位移需求,保證結(jié)構(gòu)的安全性。在ANSYS有限元支座實體建模分析中,支座模型的簡化以及材料參數(shù)的模擬方法是正確的,可以反映實際情況,從而能精準(zhǔn)模擬出加勁層的應(yīng)力分布,加勁層應(yīng)力分布為從中心向四周呈環(huán)狀逐漸減小,并進(jìn)一步驗證了支座的豎向承載能力可以達(dá)到70MPa。該新型支座具有質(zhì)量輕、構(gòu)造簡單、水平位移能力大、豎向剛度高的優(yōu)勢,具有很高的研究和推廣價值,但對于其性能的穩(wěn)定性和豎向承載能力的提高還有待進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯:郎偉鋒)

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

作者簡介:李涵(1990—),女,河南開封人,碩士研究生,主要研究方向為橋梁抗震; *袁萬城(1962—),男,上海人,教授,工學(xué)博士,主要研究方向為橋梁抗震.

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51478339,51278376);土木工程防災(zāi)國家重點實驗室基金資助項目(SLDRCE14－B－14)

收稿日期:2015－08－01

DOI:10.3969/j.issn.1672－0032.2015.03.011

文章編號:1672－0032(2015)03－0049－06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:U443.36