徐 潔,鄭宣宣,張 喆

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽 712000)

中國幅員遼闊,在廣袤的土地和綿長的海岸線上分布著多個地震帶。一旦發(fā)生地震,橋梁、建筑等的破壞幾乎不可避免。因此,加強(qiáng)建筑工程結(jié)構(gòu)中支座的隔震作用是非常重要的。當(dāng)前國家在進(jìn)行一般橋梁、建筑等工程防震時,通常都是引入鉛芯疊層橡膠隔震支座,對不同的建筑物及其各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行支持,以幫助建筑物在承受地震運(yùn)動時能夠充分減震。然而,這種裝置的缺陷明顯,低溫情況下容易發(fā)生硬化,導(dǎo)致隔震性能降低[1]。因此,開發(fā)出一些新的材料,能夠在不大幅改變支座整體結(jié)構(gòu)的同時增強(qiáng)裝置的抗低溫性等性能,成為建筑工程領(lǐng)域的重要研究方向。本文研究了高阻尼橡膠材料支座在工程結(jié)構(gòu)中的隔震作用,通過實驗分析驗證了該材料的綜合性能,材料的一些隔震性能、安全及環(huán)保性能等,認(rèn)為高阻尼橡膠材料是一種較為適合應(yīng)用于隔震支座的現(xiàn)代新型材料。

1 高阻尼橡膠材料支座

高阻尼橡膠材料支座(HDRB)是由高阻尼橡膠(HDR) 和鋼板硫化粘接而成,HDR作為HDRB 的重要組成部分,其力學(xué)性能和本構(gòu)關(guān)系對 HDRB 的影響至關(guān)重要。本試驗應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)上的高阻尼橡膠隔震支座, 橡膠材料是決定性能的關(guān)鍵,本文設(shè)計NR/NBR二元復(fù)合橡膠材料的新配方進(jìn)行制備,并對橡膠制備所需要的材料、儀器、試驗設(shè)備和工藝流程進(jìn)行了闡述。

1.1 高阻尼橡膠支座的構(gòu)造

HDRB 是由多層鋼板與多層橡膠在高溫下硫化粘接而成,其中鋼板對橡膠層有約束作用,提供豎向剛度,HDR提供水平柔度,HDRB 采用的是具有粘彈性的HDR,不僅使支座具有很好的彈性恢復(fù)力,還具有良好的耗能能力,相比較需要附加阻尼器提供阻尼的普通橡膠支座,HDRB 可以節(jié)省空間,同時便于施工。

1.2 高阻尼橡膠支座的力學(xué)性能

HDRB 是連接主梁和橋墩的重要構(gòu)件,掌握其力學(xué)性能和性能劣化規(guī)律對橋梁的設(shè)計與使用具有重大意義。HDRB 的基本力學(xué)性能大都采用電液伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行試驗,通過對 HDRB在不同壓力、剪應(yīng)變、加載頻率、溫度等條件下進(jìn)行試驗,獲得 HDRB 的等效剛度、等效阻尼比和耗能能力等力學(xué)性能。

1.3 高阻尼橡膠支座的本構(gòu)模型

HDRB 力學(xué)性能復(fù)雜,不能用簡單的模型準(zhǔn)確描述其力學(xué)行為,因此能準(zhǔn)確表征其滯回特性的模型是目前主要研究內(nèi)容之一。在規(guī)范JT-T 842—2012《公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座》中,采用雙線性恢復(fù)力模型來簡化模擬 HDRB 的本構(gòu)關(guān)系?；谡駝优_試驗對規(guī)范中的雙線性模型進(jìn)行了修正,修正后的模型可以更好地反映在經(jīng)歷大應(yīng)變后的小應(yīng)變力學(xué)行為,采用修正的雙線性滯回模型描述HDRB力學(xué)行為。

2 力學(xué)性能試驗研究

2.1 動力裝置

如圖1所示為實驗設(shè)備的水平和豎向加載設(shè)備。水平加載設(shè)備(動力液壓伺服作動器)選用的是煙臺偉航電液設(shè)備有限公司的。該動力液壓伺服作動器主要負(fù)責(zé)為實驗提供水平方向的位置、速度以及力矩變化。反饋電位器與指令電位器接成橋式電路。反饋電位器滑臂與控制對象相連,其作用是把控制對象位置的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化。在進(jìn)行高阻尼橡膠材料支座綜合性能實驗時,液壓伺服作動器的最高加載工作值可以達(dá)到9 000 kN以上,水平位移是310 mm左右。豎向加載是自動平衡裝置,主要由4個豎向靜力動作器組成,其在實驗過程中的最大工作值為750 kN,減少設(shè)備在工作中的摩擦力也起到了保護(hù)設(shè)備的主要作用[2-3]。

圖1 水平和豎向加載示意圖

2.2 試件材料

本實驗的試件高阻尼橡膠材料支座主要分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ這3類,其平面尺寸和橡膠層數(shù)相同,均為410 mm×410 mm×7層。其中,每類橡膠材料的總厚度為110 mm,每層的厚度均為18 mm。實驗中,高阻尼橡膠材料的水平剪切采用G12(1.2 N/mm2)進(jìn)行[4-5]。

2.3 試驗方案

在進(jìn)行模擬實驗時,首先進(jìn)行順應(yīng)變加載試驗,需設(shè)定高阻尼橡膠材料支座豎向荷載為960 KN。將正弦激勵波輸入到水平動力液壓伺服動作器中,并對四類實驗材料分別輸入不同的正弦波(0.1、0.3、0.5 Hz),然后再將振幅進(jìn)行轉(zhuǎn)變(50%、100%、150%),將該實驗步驟重復(fù)進(jìn)行6次,每一振幅試驗完成之后需要靜置 1 d,帶其彈性狀態(tài)恢復(fù)之后再進(jìn)行重復(fù)[6]。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 高阻尼橡膠支座的水平性能

將第1批試件Ⅰ、Ⅱ進(jìn)行水平方向的性能試驗,然后分析和計算水平力和位移的變化值(50%、100%、150%和200%)。最后進(jìn)行等效水平剛度(Feq)和等效阻尼比(Peq)的計算:

(1)

(2)

式中:N+表示曲線最大水平正位移;N-表示最大水平復(fù)位移;M+表示N+對應(yīng)的水平力;M-表示N-對應(yīng)的水平力;T表示滯回曲線形成的面積[7-9]。

由式(1)和式(2)可知試件Ⅰ、Ⅱ在不同振幅下的參數(shù),結(jié)果如表1所示。

表1 試件Ⅰ、Ⅱ的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of specimen Ⅰ and Ⅱ

由表1可知,試件Ⅰ、Ⅱ等效水平剛度隨應(yīng)變幅值的增大呈遞減趨勢,試件的等效阻尼比基本無太大變化,且試件的等效阻尼比基本都保持在23%以上,說明試件Ⅰ、Ⅱ等效阻尼比隨應(yīng)變幅值的變化較小,且試件的等效阻尼比較好[10]。

3.2 高阻尼橡膠材料支座隔震力學(xué)性能的相關(guān)性研究

3.2.1應(yīng)變幅值對高阻尼橡膠支座性能的影響

選取材料Ⅲ研究應(yīng)變幅值對高阻尼橡膠支座性能的影響,設(shè)定實驗的豎向壓力為12 MPa,激勵頻率為0.02 Hz,將應(yīng)變幅值從15%漲到270%,在應(yīng)變幅值變化過程中將材料Ⅲ的動態(tài)水平性能的滯回曲線進(jìn)行記錄,并根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算出材料Ⅲ在應(yīng)變幅值變化中的效水平剛度和等效粘滯阻尼比,結(jié)果如圖2、圖3所示[11-12]。

圖2 等效水平剛度隨應(yīng)變幅值的變化曲線

圖3 等效阻尼比隨應(yīng)變幅值的變化曲線

由圖2可知,當(dāng)應(yīng)變幅值小于120%時,材料Ⅲ的等效水平剛度隨應(yīng)變幅值的增大而減小;當(dāng)應(yīng)變幅值大于120%時,材料Ⅲ的等效水平剛度變化較小,基本呈不變趨勢。由于應(yīng)變幅值越大高阻尼橡膠材料支座的剛度越小,說明其隔震效果越佳[10-11]。

由圖3可知,材料Ⅲ的等效阻尼比隨應(yīng)變幅值的變化先呈較大變化,之后基本保持不變。數(shù)值變化的分水嶺為應(yīng)變幅值為120%,當(dāng)應(yīng)變幅值小于120%時,材料Ⅲ的等效阻尼比保持在20%～30%;當(dāng)應(yīng)變幅值大于120%時,材料Ⅲ的等效阻尼比基本保持不變約為16%。由此可知,當(dāng)應(yīng)變幅值越小高阻尼橡膠材料支座的等效阻尼比越大。

3.2.2激勵頻率對高阻尼橡膠支座性能的影響

研究激勵頻率對橡膠支座性能的影響時,將系統(tǒng)的激勵頻率應(yīng)變幅值設(shè)定為一恒定值100%,豎向面壓為12 MPa,通過實驗得到相關(guān)頻率數(shù)據(jù)和位移滯回曲線圖,結(jié)果如圖4所示[13]。

(a)等效水平剛度隨頻率的變化曲線

由圖4可知,各頻率下的水平力和位移的滯回曲線基本上處于重合的狀態(tài),等效水平剛度和等效阻尼比基本上不隨著頻率的變化而變化。因此,從變化曲線上觀測波動相對較小,激勵頻率與高阻尼橡膠支座是成正比的[14]。

3.3 隔震分析實例概述

3.3.1大橋概況

擬建大橋橋位處于南方某山部地區(qū),由于受地形影響地質(zhì)構(gòu)造較為特殊,山體連綿起伏,走向與構(gòu)造線呈小角度相交,為NE～SW向展布[16-17]。本橋起點樁號為K013+551.55,終點樁號為K013+855.05,全長304 m,為弧形橋,其半徑為795 m,上部結(jié)構(gòu)為(16×22)m。橋箱使用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土,下部橋體設(shè)計成圓柱形狀,采用鋼筋混凝土進(jìn)行澆筑。

3.3.2隔震分析計算內(nèi)容

(1)隔震前后橋梁的有限元建模及其動力特性分析;

(2)E1水準(zhǔn)地震作用下,整橋不隔震與隔震的位移和內(nèi)力及對比;

(3)E2水準(zhǔn)地震的作用下,整橋不隔震于隔震的位移對比度。

3.3.3隔震分析地震動參數(shù)選取

(1)隔震測試設(shè)置基本地震加速度為0.25 g,設(shè)防烈度為7度;

(2)隔震測試場地選取為中級建筑場地,場地特征周期Tg=0.55 s;

(3)將分組設(shè)計分為3組實驗;

(4)地面輸入加速度記錄地震反應(yīng)分析時,設(shè)置普通地震為E1=75 cm/s2,罕遇地震E2=255 cm/s2[18]。

3.4 實例分析結(jié)果

通過以上隔震分析結(jié)算內(nèi)容下可得出2種結(jié)果,首先是對隔震橋梁實驗相關(guān)情況進(jìn)行介紹,主要包括到有橋梁的幾本說明/數(shù)值分析等,其次考慮到隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)與速度輸出的地震動強(qiáng)度密切相關(guān)。因此,實驗中輸入并且分析在2種不同的地震水準(zhǔn)下,3種橡膠支座的速度相關(guān)性對隔震橋梁地震響應(yīng)的影響,最后基于實時子結(jié)構(gòu)實驗結(jié)果,對比3種橡膠相關(guān)性模型和速度無關(guān)的雙折線模型在隔震橋梁動力時呈分析中的效果。

4 結(jié)語

(1)通過研究Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3類不同高阻尼橡膠材料支座的等效水平剛度、等效阻尼比等數(shù)據(jù),得到了相關(guān)驗證。當(dāng)材料的阻尼比大于20%時,材料的阻尼性能較好;

(2)應(yīng)變幅值對材料的水平剛度與豎向壓力有顯著影響。當(dāng)應(yīng)變幅值增大時,等效水平剛度的變化為先減小后保持平穩(wěn),其隨豎向壓力的增大呈正增長;而等效阻尼比的變化不明顯,當(dāng)應(yīng)變幅值較小時其數(shù)值較大;

(3)當(dāng)應(yīng)變幅值小于120%時,材料Ⅲ的等效水平剛度隨應(yīng)變幅值的增大而減小;當(dāng)應(yīng)變幅值大于120%時,材料Ⅲ的等效水平剛度變化較小,基本呈不變趨勢。由于應(yīng)變幅值越大高阻尼橡膠材料支座的剛度越小,綜合而言本次實驗的高阻尼橡膠材料所構(gòu)建的減震支座結(jié)構(gòu)整體減震效果較佳。除此之外,由于該類型橡膠的污染性先比一般鉛金屬或橡膠成分而言沒有污染,環(huán)保性能顯然更好。