崔海軍

（揚州工業(yè)職業(yè)技術學院建筑工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

橋梁工程作為城市交通運輸中不可或缺的重要組成，一旦發(fā)生嚴重破壞就會導致地震損失最大化，近年來減隔震支座以采用減隔震支座變形有效耗散地震能量的優(yōu)勢，被廣泛用于橋梁工程中，可以最大化有效控制橋梁結(jié)構(gòu)關鍵部位地震響應[1]。比較常用的橋梁減隔震支座包括整體型、分離型這兩類，前者兼?zhèn)渥枘崞鞴δ埽笳卟捎锰烊幌鹉z制作配合各類阻尼器，兩者均具有有效隔振及耗散能量的支座功能。因為在實際橋梁工程中，對支座的承載力、抗變形力要求較高，為了更好地達到作用力傳遞及結(jié)構(gòu)變形所需，新型橋梁減隔震組合應用方法應運而生[2]。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)實際應用中受力和變形需求，將聚四氟乙烯滑板支座與鉛芯橡膠隔震支座的優(yōu)點充分結(jié)合，設計了實用新型橋梁減隔震支座，本文對其力學性能應用有限元仿真模擬進行分析。

1 橋梁滑移減隔震支座的設計

圖1為新型橋梁滑移-鉛芯減隔震支座，其結(jié)構(gòu)采用上下串聯(lián)形式，上下部分均設計有轉(zhuǎn)換裝置，分別為聚四氟乙烯-不銹鋼板滑移裝置、鉛芯橡膠墊與不銹鋼鋼板，具有低摩擦滑動的大位移優(yōu)勢，該支座能夠發(fā)揮多向滑移功能，在橋梁縱橫雙向結(jié)構(gòu)的設計上均考慮了具體滑移量。經(jīng)上部摩擦滑移裝置，產(chǎn)生溫度、混凝土徐變與車輛制動所需位移；下部摩擦滑移裝置在地震作用下，可以提供較大摩擦位移和耗能，這樣可以對橋梁上部分結(jié)構(gòu)形成有效保護作用力[3]。鉛芯橡膠墊可以在上下部結(jié)構(gòu)發(fā)生位移最大化情況下，有效耗散地震能力，從而充分減小地震對橋梁結(jié)構(gòu)的損害，也可以一定程度上減小橋梁上部梁體位移，預防發(fā)生橋梁震落。

圖1 新型橋梁滑移-鉛芯減隔震支座

2 橋梁滑移減隔震支座力學性能數(shù)值分析

橋梁實用新型減隔震支座力學性能主要受三方面的影響，分別是摩擦滑移裝置、轉(zhuǎn)換裝置、鉛芯橡膠隔震裝置，為了分析橋梁滑移減隔震支座的力學性能，建立有限元模型與理論分析模型進行對比。

2.1 有限元模型

此支座經(jīng)上部摩擦滑移裝置，形成溫度、車輛制動與混凝土徐變所需位移，根據(jù)此減隔震支座的設計、力學性能理論原理，建立有限元仿真模型（見圖2）。下部滑動摩擦位移可以在地震作用下提供較大的摩擦位移并耗能，保護上部結(jié)構(gòu)，同時在上部和下部結(jié)構(gòu)位移達到限值時，利用中部鉛芯橡膠隔震支座的耗能能力耗散地震能量，減小橋梁結(jié)構(gòu)的震害，并減小了上部梁體的相對位移量，有效地防止落梁震害的發(fā)生[4]。

圖2 有限元仿真模型

通過建立橋梁滑移減隔震支座精細化有限元數(shù)值模擬模型，基于ANSYS/LS-DYNA進行隱式-顯式分析，進行豎向壓力加載與水平位移加載，分析支座內(nèi)部受力狀態(tài)，獲得支座力-位移滯回曲線（見圖3）。

圖3 滑移摩擦支座理論力-位移曲線

2.2 有限元分析對比理論模型計算結(jié)果

根據(jù)有限元軟件ANSYS，建立此減隔震支座有限元模型，包括8987個單元與12431個節(jié)點，設計不同剪應變工況（見表1）。計算結(jié)果見表2，可以發(fā)現(xiàn)，對于同樣豎向壓力和加載頻率基礎工況條件下，設計50%剪應變與100%剪應變的工況條件，基本形成一致的力-位移滯回趨勢，可以建立雙線性恢復力曲線[5]。

表1 工況設計

根據(jù)所建立的有限元模型模擬得出力學特性參數(shù)，對比理論模型結(jié)果（見表2），發(fā)現(xiàn)有限元模型分析力學性能所得參數(shù)情況，基本接近于理論分析減隔震支座的力學性能，證明了有限元模型能夠?qū)p隔震支座的力學性能有較精準地反映，與理論分析結(jié)果差異不大。

表2 減隔震支座力學性能參數(shù)

3 橋梁滑移減隔震支座力學性能試驗

3.1 豎向壓縮性能

本次設計新型橋梁滑移減隔震支座為鉛芯橡膠減隔震支座，能夠發(fā)揮多向滑移功能，在橋梁縱橫雙向結(jié)構(gòu)均設計具體滑移量。因此對豎向壓縮性能進行試驗，應用大型壓剪試驗機設計正弦波持續(xù)加載作用力，主要對正弦波的幅值、頻率進行調(diào)整，設計試驗中的不同加載工況。本試驗減隔震支座的最小截面是70686mm2，設計10MPa豎向壓應力，持續(xù)加載3次豎向壓縮力，加載方式選擇0~Pmax~0的方式，根據(jù)P0= 70686×10 = 707kN，計算減隔震支座豎向壓縮剛度，公式如下：

式中：

P1、P2——分別取值0.7P0、1.3P0；

Y1、Y2——作為第三次循環(huán)所產(chǎn)生的位移最大、最小值。

此減隔震支座豎向壓縮性能試驗的結(jié)果見表2，這一結(jié)果接近于鉛芯橡膠墊支座的壓縮剛度范圍，證明該支座的摩擦滑移裝置在經(jīng)過多次持續(xù)壓縮、豎向加載后，也未見上部摩擦滑移裝置有明顯偏置、鼓出等不良情況，所以能夠滿足橋梁的減隔震性能需求。

表2 新型減隔震支座壓縮性能試驗結(jié)果

3.2 剪切變形性能

為了對該減隔震支座的剪切變形性能進行分析，在試驗中設計三種工況，分別是不同剪切位移、不同豎向壓力、不同滑移量。

在20mm滑移條件下，該支座的剪切性能滯回結(jié)果反映出，隨著剪應變逐漸增加，支座耗能隨之加大，裝置上部分所受剪應變在功能上影響較小，正反兩方向的支座在滑移區(qū)間所受剪切位移影響不大。通過對比發(fā)現(xiàn)，支座滑移之后隔震墊的性能情況是：下部裝置隨著剪切位移的增加，在一定程度上裝置剛度隨之減小，表現(xiàn)為滑移后支座曲線的不規(guī)律曲折變化，這一情況主要是因為鉛芯橡膠墊內(nèi)部鉛芯未緊密填充所致。

通過對此新型滑移減隔震支座施加豎向壓載作用力，分析對剪切變形性能的影響，包括支座耗能情況、摩擦力與摩擦系數(shù)的試驗結(jié)果。從表3可知，隨著逐漸增加的豎向壓力，支座摩擦力、耗能、摩擦系數(shù)在一定程度上均提升，證明豎向壓載作用力會在很大程度上影響減隔震支座的剪切性能，隨著壓應力的不斷提升，支座上部裝置摩擦力隨之增加，也就明顯增強了支座的減震性能。

表3 豎向壓力對剪切性能影響

4 結(jié)束語

通過對一款新型橋梁滑移減隔震支座的結(jié)構(gòu)裝置原理加以闡述，并建立支座有限元數(shù)值模擬分析，所得結(jié)果基本吻合于理論模型計算結(jié)果，證明了本次設計的支座所用鉛芯橡膠墊有穩(wěn)定的剪切性能。并設計剪切位移、豎向壓力、滑移不同工況條件下的剪切性能試驗，有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果證明，該減隔震支座具有良好的摩擦滑移與減隔震性能，有限元數(shù)值模擬分析能夠比較準確地反映橋梁滑移減隔震支座的力學性能。