橫向減隔震裝置設計與試驗研究

張銀喜，孔令俊，陳彥北，王小波，郝紅肖

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

橫向減隔震裝置設計與試驗研究

張銀喜，孔令俊，陳彥北，王小波，郝紅肖

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

利用防落梁裝置的構造形式，以一斜拉橋為應用對象，設計了一套具備縱向可滑、橫向減隔震裝置。對所用鋼材進行單軸拉伸試驗，并獲得了可供數值仿真使用的應力-應變曲線，通過有限元數值仿真分析實現了縮比裝置的虛擬設計。為驗證仿真結果的可靠性，利用壓剪試驗機對縮比裝置進行了最大橫向位移為100 mm的周期位移試驗。結果表明：設計的縮比裝置能夠滿足相關規范的要求；有限元仿真分析結果與試驗結果吻合較好，可準確地對變形區域進行預測。

減隔震裝置；橋梁：金屬阻尼器；數值仿真；壓剪試驗

自1972年，文獻［1］提出利用金屬阻尼器吸收結構能量的方法至今，各國研究人員已研發出了眾多不同結構形式的金屬阻尼器。然而這些裝置一般并不具備普遍適用性，針對不同的使用條件需進行改造，甚至要全新設計。文獻［2］中通過對一斜拉橋結構動力學分析表明，在處于高烈度區的橋梁使用縱向速度鎖定器+橫向耗能減震裝置組合式減隔震方案能夠使該橋抗震性能滿足規范要求。本文根據防落梁裝置［3］結構特點，利用有限元數值仿真技術設計了一種縱向可滑、橫向減隔震裝置。

1　裝置參數

根據文獻［4］的規定，一般情況下減隔震橋梁抗震分析宜采用非線性動力時程分析方法。通過Midas/Civil對某7跨斜拉橋在地震波作用下的時程分析計算可知，每個墩的橫向減隔震裝置（見圖1）能夠提供8 000 kN的橫向屈服力，且最大橫向位移［5］為300 mm。

圖1　橫向減隔震裝置（單位：mm）

橫向減隔震裝置主要性能參數見表1。

表1　單套橫向減隔震裝置性能參數

2　縮比裝置設計

由于上述橫向減隔震裝置的性能參數已超過現有設備的試驗能力，故本文采用縮比模型方法，利用有限元仿真分析進行了縮比裝置虛擬設計，并結合試驗數據對有限元分析結果的準確性進行了評估。

2.1材料參數測試

目前，國內鋼阻尼裝置一般采用塑性較好的Q235或Q345低合金高強度鋼［6］。此類材料變形能力較強，環境和溫度對其性能沒有顯著影響［7］。為保證橫向減隔震裝置的力學性能符合文獻［8］中規定的屈服力誤差范圍不超過設計值±15%的要求，在阻尼元件設計之前，按照文獻［9］的規定從待加工阻尼元件的鋼板上取樣，并利用株洲電力機車研究所新材料檢測中心電子萬能試驗機按照要求進行測試。

拉斷后的試樣見圖2，試樣斷口位置可見明顯頸縮，具有典型的塑性斷裂特征。

圖2　斷裂后的試樣

拉伸試驗測得的應力-應變曲線見圖3。由于所測曲線為名義應力-名義應變曲線，而Abaqus仿真分析中需輸入從真實應力-塑性應變曲線提取的特征點，故按照文獻［10］中的公式對所測曲線進行轉換，并按其提供的方法選取數據進行有限元仿真分析，應力（變）轉換公式見式（1）、式（2）。為準確測量，共測試了3個試樣。

圖3　拉伸試驗應力-應變曲線

式中：εtrue，εnom分別為真實應變、名義應變；σtrue，σnom分別為真實應力、名義應力。

2.2裝置設計

雙弧形阻尼元件與實際產品的尺寸比例為1∶3，縮比裝置中含有2個阻尼元件，試驗樣品見圖4。當試驗裝置首次達到最大橫向位移Dmax=100 mm時整體等效塑性應變云圖見圖5（a），阻尼元件中的等效塑性應變最大值為0.064 6，見圖5（b），滿足10次全循環的設計要求［8，11］。

圖4　縮比裝置試驗樣品（單位：mm）

圖5　水平位移為100 mm時應變云圖

3　縮比裝置試驗與結果分析

本文試驗在1 000 t壓剪試驗機上進行，試驗過程按照文獻［7］的要求進行了0.25Dmax，0.50Dmax和1.00Dmax的逐級加載，循環次數分別為5次、5次和10次。同時進行了15次規定的超載試驗（1.2Dmax）和最大位移（1.0Dmax）的疲勞試驗。其中最大橫向位移為100 mm的有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）和試驗實測（TEST）滯回曲線見圖6。圖中TEST曲線包括10條實測循環曲線，且不同循環間有一定離散。由圖6可知，有限元分析與試驗實測滯回曲線重合性較好，屈服力計算值和試驗值分別為95，103 kN，試驗值較設計值增大了8.4%，符合文獻［8］的規定。二者的差異主要因為Abaqus內嵌的材料硬化模型對循環硬化的描述存在誤差。石永久等［12］采用自編UMAT較好地解決了上述問題。試驗完成后，上下底板組件和阻尼元件均未發現明顯裂紋（見圖7），滿足文獻［7］的使用壽命要求。

圖6　有限元分析與試驗實測滯回曲線

圖7　測試后的阻尼元件

將試驗后阻尼元件表面氧化層剝離區域（圖7中弧形段泛白區域）的分布與數值仿真計算中阻尼元件經歷一個周期變形后塑性應變云圖（見圖8）進行對比發現，在經歷最大橫向位移100 mm的周期變形后，其塑形變形區域與有限元分析結果一致，說明有限元仿真分析對產品變形區域的預測具有較高的準確性。

圖8　計算模型應變云圖

4　結論

本文根據對一斜拉橋在地震條件下響應分析所確定的橋梁抗震參數，對設計的一套屈服力為8 000 kN、最大橫向位移達300 mm的橫向減隔震裝置進行了1∶3縮比裝置設計與試驗。通過數值仿真分析與縮比裝置試驗，驗證了該裝置在大位移變形時的穩定性和完整性。試驗結果和有限元仿真分析結果較為吻合，可以利用有限元仿真分析技術對該裝置進行虛擬設計，在縮短產品研發時間和節約成本的同時能夠保證設計參數與實際產品一致。

［1］KELLY J M，SKINNER R I，HEINE A J.Mechanisms of Energy Absorption in Special Devices for Use in Earthquake Resistant Structures［J］.Bulletin of the New Zealand Society for Earthquake Engineering，1972，5（3）：53-57.

［2］衛俊，張建強.烏海甘德爾黃河大橋主橋設計［J］.城市道橋與防洪，2015（1）：54-58.

［3］陳彥北，李鵬，郝紅肖，等.防落梁裝置：CN102444085A［P］.2012-05-09.

［4］中華人民共和國交通運輸部.JTG/T B02-01—2008公路橋梁抗震設計細則［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［5］孔令俊.某斜拉橋主橋地震分析［R］.株洲：株洲時代新材料科技股份有限公司，2011.

［6］陳列，胡京濤.橋梁減隔震技術［M］.北京：中國鐵道出版社，2014.

［7］周云.金屬耗能減震結構設計理論及應用［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2013.

［8］中華人民共和國交通運輸部.JT/T 843—2012公路橋梁彈塑性鋼減震支座技術條件［S］.北京：人民交通出版社，2012.

［9］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 228.1—2002金屬材料拉伸試驗［S］.北京：中國標準出版社，2002.

［10］石亦平，周玉蓉.Abaqus有限元分析實例詳解［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［11］郝紅肖.新型金屬阻尼器產品的理論研究［R］.株洲：株洲時代新材料科技股份有限公司，2011.

［12］石永久，王萌，王元清.結構鋼材循環荷載下的本構模型研究［J］.工程力學，2012，29（2）：92-98.

Design and Experimental Study on Transverse Vibration Isolation Device

ZHANG Yinxi，KONG Lingjun，CHEN Yanbei，WANG Xiaobo，HAO Hongxiao
（Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412007，China）

T aking the cable-stayed bridge as the application object，a transverse vibration isolation device was designed by using the anti-falling device，which could slide in the longitudinal direction.T he stress-strain curve for numerical simulation was obtained by using a uniaxial tensile test of steel material.T he finite element analysis（FEA）technology was used to design a scaled model.In order to verify the reliability of the finite element simulation results，the maximum lateral displacement（100 mm）was carried out by the periodic displacement test with the loadshear test machine.T he results showthat the designedmodel canmeet the requirements of the relevant specifications，the parameters acquired from FEA can achieve good agreement with that of the test and estimate the deformation area exactly.

Vibration isolation device；Bridge；M etallic damper；Numerical simulation；Load-shear test

TU352.12

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.09

1003-1995（2016）09-0035-03

（責任審編鄭冰）

2016-03-18；

2016-05-26

張銀喜（1985—），男，工程師，碩士。