橋梁滑移減隔震支座力學性能分析

崔海軍

（揚州工業職業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勢，被廣泛用于橋梁工程中，可以最大化有效控制橋梁結構關鍵部位地震響應[1]。比較常用的橋梁減隔震支座包括整體型、分離型這兩類，前者兼備阻尼器功能，后者采用天然橡膠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構變形所需，新型橋梁減隔震組合應用方法應運而生[2]。根據橋梁結構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點充分結合，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，其結構采用上下串聯形式，上下部分均設計有轉換裝置，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勢，該支座能夠發揮多向滑移功能，在橋梁縱橫雙向結構的設計上均考慮了具體滑移量。經上部摩擦滑移裝置，產生溫度、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構形成有效保護作用力[3]。鉛芯橡膠墊可以在上下部結構發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構的損害，也可以一定程度上減小橋梁上部梁體位移，預防發生橋梁震落。

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，保護上部結構，同時在上部和下部結構位移達到限值時，利用中部鉛芯橡膠隔震支座的耗能能力耗散地震能量，減小橋梁結構的震害，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，分析支座內部受力狀態，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果

根據有限元軟件ANSYS，建立此減隔震支座有限元模型，包括8987個單元與12431個節點，設計不同剪應變工況（見表1）。計算結果見表2，可以發現，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

根據所建立的有限元模型模擬得出力學特性參數，對比理論模型結果（見表2），發現有限元模型分析力學性能所得參數情況，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對減隔震支座的力學性能有較精準地反映，與理論分析結果差異不大。

表2 減隔震支座力學性能參數

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，能夠發揮多向滑移功能，在橋梁縱橫雙向結構均設計具體滑移量。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加載作用力，主要對正弦波的幅值、頻率進行調整，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，持續加載3次豎向壓縮力，加載方式選擇0~Pmax~0的方式，根據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——作為第三次循環所產生的位移最大、最小值。

此減隔震支座豎向壓縮性能試驗的結果見表2，這一結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過多次持續壓縮、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間所受剪切位移影響不大。通過對比發現，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，表現為滑移后支座曲線的不規律曲折變化，這一情況主要是因為鉛芯橡膠墊內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、摩擦力與摩擦系數的試驗結果。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 結束語

通過對一款新型橋梁滑移減隔震支座的結構裝置原理加以闡述，并建立支座有限元數值模擬分析，所得結果基本吻合于理論模型計算結果，證明了本次設計的支座所用鉛芯橡膠墊有穩定的剪切性能。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，有限元數值模擬分析結果證明，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。