可降低橋梁結構振動的鋼支座應用分析

張 力

（上海通億橡塑制品有限公司，上海 201705）

鋼支座是廣泛使用于國內外橋梁工程、工業與民用建筑的一種結構支承，是由結構鋼制作的支座，其他一些附件則采用復合材料、橡膠以及聚四氟乙烯等制作。鋼結構支座具有承載力大、構造簡單、適應性好以及安裝方便等優點，因此廣泛應用于橋梁和建筑工程。

1 研究現狀

我國在20世紀80年代中后期，開始廣泛將鋼支座應用于橋梁等結構工程，并于1990年制定了第一部盆式支座的設計、生產和使用的技術標準，后又經過多次修訂形成了目前在用的《公路橋梁盆式支座》（JT/T 391—2009）。此后，2000年制定了第一部球形支座的設計、生產和使用的技術標準，后經過多次修訂形成了目前在用的《球形支座》標準，為規范和大面積使用鋼支座奠定了基礎。橋梁鋼支座實物如圖1所示。

圖1 橋梁鋼支座實物

目前，我國公路、市政以及高架橋等大型工程上采用T梁、箱梁等結構居多。這類橋梁結構采用鋼支座最合理和方便。雖然在這類橋梁結構中使用鋼支座具有很多優越性，但也在使用過程中發現了一些問題，主要表現為橋梁運營過程中橋梁結構的振動幅度及結構的噪聲較大。

2 新型鋼支座結構設計

橡膠材料是最早也是使用最廣泛的減震材料，具有隔振降噪的特點，廣泛應用于各種結構、構筑物及機械設備、運輸設備及構筑物，能夠最大程度減小機械噪聲、振動以及沖擊帶來的負面影響，起到一定的緩沖作用[1]。我國的工程技術人員在20世紀七八十年代就做過有益的嘗試。據《橋梁支座》介紹，沈陽鐵路局曾分別對采用鋼支座和橡膠支座的兩座鋼橋進行動力性能對比測試。測試結果表明，橡膠材料填充的支座對振動和沖擊具有緩沖作用，梁的動撓度和動應力在橡膠阻尼作用下減小了大約30%[2]，極大地降低了動荷載對橋梁和墩臺的沖擊作用。基于橡膠材料良好的隔振性能，本文提出了一種新型鋼支座結構。通過優化傳統橋梁結構鋼支座的結構形式，充分發揮橡膠材料的減震性能，更好地實現橋梁結構減振和降噪的需求。

如圖2所示，一種可降低橋梁結構噪聲和振動的鋼支座由普通鋼支座1、橡膠墊板2和鋼蓋板3組成。普通鋼支座1上均勻分布有若干凹槽，所述鋼蓋板3上設有若干個凸塊。鋼蓋板3的凸塊與普通鋼支座1的凹槽的結構相匹配，鋼蓋板3的凸塊插入普通鋼支座1的凹槽內。鋼蓋板3的凸塊與普通鋼支座1的凹槽之間的間隙處設有橡膠墊板2，普通鋼支座1與鋼蓋板3通過螺栓連接。普通鋼支座1位于鋼蓋板3上方或下方。鋼蓋板3與普通鋼支座1（頂板或底板）之間留有一定的間隙，未直接接觸。它們之間力的傳遞通過凸塊與橡膠墊板2的接觸實現。這個橡膠墊板2在普通鋼支座1和鋼蓋板3之間形成了一個緩沖、隔離層，可以有效降低或吸收從上部結構傳下來的振動和沖擊，達到降噪減震的目的。

圖2 新型鋼支座結構簡圖

普通鋼支座1的凹槽形狀可以是碗狀、蜂窩狀、圓形或矩形中的任一種。普通鋼支座1又可以分為球形鋼支座、盆式支座、柱面支座、盤式支座以及摩擦擺式隔振支座等。普通鋼支座1為圓形或矩形結構，是具有一定厚度的鋼制品。橡膠墊板2采用動靜比較小的橡膠材料墊板。所述橡膠墊板2鑲嵌于凹槽，起著隔離普通鋼支座1和鋼蓋板3的作用。根據圖2的方案設計圖，建立新型橋梁結構鋼支座的三維模型，如圖3所示。

圖3 新型鋼支座結構三維模型

3 仿真分析

3.1 有限元模型建立

針對第2節中提出的一種新型鋼支座結構，1:1設計三維模型，應用ANSYS有限元分析軟件進行該鋼支座在極限載荷下的應力應變情況仿真分析。有限元網格模型劃分，如圖4所示。

圖4 有限元網格模型

3.2 極限載荷工況應力和應變分析

橋梁結構行業規范要求，模擬實況需要對上連接板頂面施加豎向壓縮荷載，從0至設計最大承載力Pmax逐漸增大進行加載，取Pmax=3 500 kN，共循環3次。仿真模擬載荷布置圖、結構整體應力云圖和結構整體應變云圖，結果分別如圖5、圖6和圖7所示。

可見，新型鋼支座整體應力極值為125.838 MPa，極值點出現在頂部蓋板與連接支撐墊的交界處。此處因為截面大小發生突變，分析定性為應力集中造成，但仍然遠小于鋼板的屈服強度極限310 MPa。從強度角度上來說，該結構設計滿足要求。新型鋼支座整體應力極值為94.521 mm，出現在橡膠減震墊上。因為橡膠材料為非線性材料，彈性模量本身很小，認為出現應力極值為材料本身特性導致。整體橡膠材質尺寸為400 mm，壓縮量不足1/4，符合要求，證明其具有較高的減震能力，在壓縮方面具有可靠的安全性保障。橡膠減震墊的壓縮量取決于載荷和材質硬度的共同影響。若想充分吸收振動，建議使用材質更軟的橡膠。若是考慮形變量不宜過大，則建議選用材質偏硬的橡膠。

圖5 模擬3 500 kN載荷布置

圖6 3 500 kN荷載作用下新型減振支座應力云圖

圖7 3 500 kN荷載作用下新型減振支座應變云圖

4 減振參數分析

4.1 阻尼分析

阻尼決定了支座的減振效果，而減振阻尼又受制于材料本身。利用ANSYS Workbench有限元仿真軟件對新型結構支座進行阻尼分析。先在靜力分析步中將2 600 kN豎向荷載施加于該支座，后在動力分析步中將特定荷載幅值及頻率正弦波激勵施加于該支座，表達式為：

式中：?W表示滯回曲線的面積；豎向動剛度為豎向力的最大值，F1為豎向力的最小值；X2和X1分別為位移的最大值和最小值[3]。加載頻率對于阻尼比的影響較大，取加載頻率為20～100 Hz，荷載幅值取800 kN，如圖9和圖10所示[4-5]。加載頻率不斷遞增，影響豎向的減振阻尼比會隨之遞增。可知，在已經確定了橋梁支座模型參數的條件下，將減振阻尼比控制在3%左右，能夠滿足橋梁支座的減振要求。

圖8 不同載荷頻率下豎向滯回曲線

圖9 不同載荷頻率下減振阻尼比

5 結論

本文提出了一種能夠降低橋梁結構振動的組合型式新型鋼支座，能夠有效降低橋梁結構的振動幅度，解決橋梁運營過程中的結構振動問題。這種新型組合式鋼支座不僅能夠應用于市政、公路以及所有的橋梁結構，而且能應用于城市軌道交通系統工程及其他各種建筑結構，具有很強的普適性。本文對新型鋼支座的結構進行精細化設計，并通過有限元模擬與數值分析驗證了該方案的可行性，研究了新型減振支座的力學性能，得到結論如下：

（1）通過分析各組成部分的受力，發現新型阻尼支座的壓縮性能和極限抗剪性能都能滿足安全應用的要求，保證了高架橋具有一定的承載能力；

（2）新型減振鋼支座的豎向剛度比較小，豎向減振阻尼比隨著加載頻率的遞增而遞增，能夠滿足橋梁支座的減振要求。