桥梁橡胶支座减隔震性能研究.docx

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桥梁橡胶支座减隔震性能研究

桥梁橡胶支座减、隔震性能研究

本文在桥梁板式橡胶支座、聚四氟乙稀滑板橡胶支座的动力剪切性能以及弧形钢振条的滞回性能试验的基础上，建立了相应的力学分析模式。

通过简支梁桥模型的地震模拟振动台试验和计算分析，验证了计算模式的正确性，并表明弧形钢板条耗能器与滑板橡胶支座组合是一简易而理想的减震、耗能体系。

关键词：

橡胶支座，聚四氟乙稀滑板橡胶支座（简称滑扳橡胶支座），弧形钢板条耗能器，减震，隔震。

一、引言

近甘年来，橡胶支座在我国桥梁工程中已得到了广泛的应用，但对这种支座的减、隔震问题尚缺乏充分的研究。

为满足桥梁抗震设计的需要，本文试图评价目前国内桥梁橡胶支座的减、隔震性能，提出弧形钢板条耗能器与滑板支座组合使用的减、隔震体系（图1），并作了试验研究，从而建立相应的计算模式。

二、桥梁板式橡胶支座和滑板橡胶支座的动力剪切试验

试验的橡胶支座采用国内江苏省常熟橡胶制品厂加工制造的板式橡胶支座，选用的规格为：

140×140×28、150×200×28、150×200×35、140×140×35、100×100×29；滑板橡胶支座选用的规格为：

100x100×32．5和100x200×32．5，支座的硬度为邵氏60士5°。

试验是在同济大学材料力学试验室引进的英国INSTRON公司生产的1343型电液伺服疲劳试验机上进行。

为利用该疲劳试验机做控胶支座的动力剪切试验，专门设计了一套辅助的试验架，见图2。

为研究板式橡胶支座的动、静剪切刚度，滑板支座的滞回性能及动摩擦系数，我们做了大量的试验，获得了规律基本一致的数据与图表，示例于图3、4、5、和表1。

在分析了大量的试验结果后，可得出下列结论：

（1）对于一定的剪切应变，随着频率的增加，剪切模量明显增加，

（2）对于一定的频率，随着剪切应变的增加，剪切模量大幅度降低；（3）支座规格，压应力值对剪切模量无明显影响；（4）压应力和频率卡，滑板橡胶支座的滞变能随着滑动位移的增加而增加；（5）压应力和滑动位移一定，滑板橡胶支座的滞变能随着频率的增加而增加；（6）对于一定的滑动位移和频率，滑板橡胶支座的滞变能随着压力的增加而增加；（7）滑板橡胶支座的摩擦系数随着反应力的增加而减少，随着滑动位移的增加，以0．3Hz频率滑动时，相应的摩擦系数有明显增加，而以0．01Hz频率滑动时，摩擦系数无明显变化；（8）板式橡胶支队的滞回曲线是狭长的；滑板橡胶支座的滞回曲线类似于理想弹塑性材料问滞回曲线。

三．弧形钢板条耗能器的滞回性能试验

试验用的弧形钢板条耗能器，是用A3号扁钢冷弯加工而成，如图6所示。

试验亦在上述同类型的电液伺服疲劳试验机上业行，并设利万拟应的试验架（图7）。

试验所得弧形钢板条的滞回曲线示例于图8。

显见，弧形钢板条的滞回曲线类似于低碳钢的单向拉伸试验的恢复力曲线，但弧形钢板条的工作原理不同。

它因是冷弯加工而成，弧形钢板条的圆弧部分的应变相等，在初始阶段，圆弧段内的应力不会增加，圆弧一端的直线段应变增加，而圆弧另一端应变减少。

当圆弧一端的直线段应变达到与圆弧段的应变相等时，圆弧开始挪动。

在挪动前弧形钢板条的力与位移的数系近似线弹性，挪动后弧形钢板条随着位移的增加，力有少量的增加。

最大行程量值仅受H值（见图6）大小限制，通过大量的试验，可得出下述结论：

（1）弧形钢板条的行程量，可以根据结构的需要选择d值大小，若行程量大于d值时，圆弧则被拉直，

（2）弧形钢板条的滞回曲线类似于双线型杆的恢复力曲线，（3）频率对孤形钢板条滞回性能无明显影响；（4）随着t／2R的比值增加，滞回面积增大，随着弧形钢板条宽度增加，滞回面积亦增加，（5）随着行程量的增加，耗能明显增加。

四、板式橡胶支座、滑板橡胶支座和弧形钢板条耗能器恢复力计算模式

1．板式橡胶支座的试验表明，它的滞回曲线是狭长形，可以近似作线性处理。

它的剪切刚度尽管随着最大剪切应变的变化和频率的变化而变化，但对于特定频率和最大的剪切角而言可以近似看作常数。

因此，板式橡胶支座的计算模式近似按最大的剪切应变和频率来确定支座的刚度，并作线性处理。

2．滑板橡胶支座与弧形钢板耗能器的滞回曲线（见图5和图8）是类似的，因而可将其计算模式都采用双线型恢复力函数来表达，见图9。

根据上述的计算模式，我们编制了多跨简支梁和多跨连续梁桥具有橡胶支座时的线性和非线性地震反应程序。

五、具有橡胶支座的简支梁桥振动台试验

本试验在同济大学工程结构研究所的模拟地震振动台上完成的。

试验用梁为模拟梁，尺寸4m（l）×lm（B）×1．2m（h），重量约为11．5t。

滑板橡胶支座规格为100×100×32．5和160×200×32．5两种。

图l0中采用三点式支座布置是为便于梁的安装定位。

各种类型的支座设置在地震波作用下的最大反应值汇总于表2。

从表2可见三个橡胶支座的位移响应不完全相同，这是由于梁的偏心及梁底不平整等因素引起各支座的受力不均匀所致。

限于篇幅，仅例示滑板橡胶支座与弧形钢板条耗能器组合使用的梁桥系统0．4gEL—Centro波作用下梁的位移时程曲线（如图11）。

试验结果表明：

（1）滑板橡胶支座较板式橡胶支座有一定的隔震作用，随着地震加速度峰值的增加这种作用越明显，但位移一般较板式橡胶支座大；

（2）弧形钢板条对于减少结构的滑动位移有明显的作用，以表2中0．2gG3波的反应为例,滑板橡胶支座与弧形钢板条组合体系的位移反应为6．5mm，远小于板式橡胶支座体系的反应13．0mm或滑板橡胶支座体系的反应22．5mm，加速度反应较滑板橡胶支座体系有所增加但较板式橡胶交座为小。

（3）滑板橡胶支座加少量的油脂对反应无明显影响。

六、橡胶支座的减、隔震性能分析

1．不同支座体系的计算模式试验验证

为了验证不同支座体系计算模式的正确性，对振动台试验用的简支架桥模型作了地震反应计算，并与试验结果进行对比。

由于振动台试验中梁两端所设置的支座体系是类同的，梁可以看作一个质点，可简化为两端支座并联的单质点体系。

作者对试验用的几种支座体系都作了计算分析，有关支座及弧形钢板条的动力参数均按前面的试验结果取值。

例如，滑板橡胶支座与弧形钢板条组合使用时，在0．4g峰值EL—Centro波作用下的地震反应计算中，支座剪切模量取冈2．0MPa，摩擦系数取0．07，6根弧形钢板条的弹性刚度为1．8×105N／m，塑性刚度为1．8×105N／m，弹性极限位移加6mm,其计算的时程曲线示于图12，相应的试验时程曲线示于图11。

显然计算结果与试验结果基本吻合；其他支座体系的相应比较也都基本吻合，在此不一一枚举。

2．橡胶支座桥梁地震反应的若干影响因素

通过试验研究；在基本上证实了各支座体系计算模式的可靠性后，我们应用自编程序对若干影响因素作了分析，限于篇幅，仅将有关结论简述如下：

（1）梁重量和摩擦系数对橡胶支座梁桥地震反应影响

对于板式橡胶支座，梁的质量的增加会增加体系的周期，相应地增加梁的位移响应，减少加速度响应，对于滑板橡胶支座，随着梁质量的增加，一方面因支座压应力加大导致滑板摩擦系数的减小，增加梁的位移和减少加速度响应，另一方面摩擦系数即使不变，随着梁的质量增加滑移量亦有所增加。

（2）弧形钢板条耗能器对滑扳橡胶支座梁桥地震响应的影响

弧形钢板条耗能器减小梁的滑动位移。

若弧形钢板条的数目—系数较小者，滑板橡胶支座的摩擦系数较小者，弧形钢板条耗能器对降低滑移量的作用更为明显。

（3）阻尼系数的影响

对于板式橡胶支座，阻尼力会减少梁的位移加速度响应，但对于滑板橡胶支座，阻尼力起减少梁的位移而增大梁的加速度的响应。

七．结论

1．由于板式橡胶支座剪切性能近似为线弹性，因而它的耗能减震效果并不明显，但相对于辊轴支座与固定支座的梁桥体系，因板式橡胶支座能适当增加体系的周期并能使墩台分担地震力，对桥梁抗震还是有益的。

根据试验结果，橡胶支座本身的剪切性能是很好的。

建议在梁桥抗震验算时，板式橡胶支座的容许剪切应变为100％，动力剪切模量为0．9MPa。

2．滑扳橡胶支座具有较好的隔震性能。

考虑到地震的随机性和复杂性，避免单脉冲地震波作用而产生过大的滑移，滑板橡胶支座配便弧形钢板条耗能器，能增加阻尼，减少滑动位移和防止落梁。

建议此种支座体系可在高烈度地震区使用。