一種鋼阻尼滑板橡膠支座設計與試驗研究

張銀喜，郝紅肖，陳彥北，孔令俊，曹志峰

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

一種鋼阻尼滑板橡膠支座設計與試驗研究

張銀喜，郝紅肖，陳彥北，孔令俊，曹志峰

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

將鋼阻尼元件與滑板橡膠支座加以組合研發出鋼阻尼滑板支座，滑板橡膠支座承擔豎向載荷，利用鋼阻尼元件的彈塑性變形和耐磨板與不銹鋼板的摩擦力在提供支座所需剛度的同時耗散輸入能量。由于該支座的耗能功能主要由C型鋼阻尼元件和摩擦力提供，而鋼材與耐磨板材料性能受溫度影響較小，因此該支座擁有更廣泛的適用性。通過有限元數值仿真技術完成試驗支座設計后，利用壓剪試驗機對試驗模型進行了摩擦力及整體阻尼性能試驗。結果表明:試驗支座實測性能與數值仿真分析設計的結果一致，試驗所得滯回曲線飽滿，在不同變形方向均具有較好的耗能效果，設計符合相關標準要求。

鋼阻尼器；滑板支座；有限元分析；壓剪試驗

目前應用于高震區中小跨徑梁橋的橡膠類支座，無論是通過結構延性還是通過減隔震裝置進行抗震，存在的最主要問題是各類橡膠支座對溫度比較敏感。低溫造成剛度和阻尼大幅增加，高溫則造成剛度和阻尼嚴重降低，實際應用中高低溫對剛度和阻尼的影響往往是常溫下的數倍，使得減隔震效果嚴重偏離設計預期［1-3］。橡膠屬于高分子材料，容易老化造成性能退化，耐久性較差。采用鉛芯橡膠支座進行減隔震設計，無法避免鉛芯的環境鉛污染問題，不利于建立環境友好型社會。因此，研制一種溫度適用性更廣、性價比更好、環境友好型、耐久性較好的減隔震支座，在高震區中小跨徑的梁橋中進行推廣和應用就顯得非常有意義。

1　工作原理

鋼阻尼滑板支座［4］由承受豎向力和轉角位移的高耐磨滑板支座，以及在其四周布置的性能受溫度影響較小的鋼阻尼組件［5］組成，如圖1所示。其結構與李愛群等［6］設計的雙向耗能鋼阻尼器相似。支座中的摩擦和鋼阻尼元件可提供支座剛度，并在地震作用時通過支座中鋼阻尼元件的彎曲變形提供運動位移和阻尼，產生周期性的彈塑性變形，從而消耗地震能量，減小輸入橋梁的地震能量。

S32205雙相不銹鋼中含碳量低于0.03%屬于超低碳不銹鋼，超低的碳含量可以提高材料的焊接性，降低碳化物在晶界析出的傾向，使得晶間耐腐蝕性提高。氮元素的加入可以改善焊接后金屬抗腐蝕能力，改善焊縫處力學性能，促進形成雙相組織，平衡兩相的比例，高含量的鉻、鉬元素可提高鋼材抗腐蝕性。

圖1　鋼阻尼滑板橡膠支座設計方案

2　試驗支座設計與試驗測試

2.1支座參數計算

《水上飛機》一文中有這么一句話：“在茫茫的大海上，小海鷗發現了一條奇怪的大船：白色船體的兩邊長了兩個大翅膀。”

40年來，特別是黨的十八以來，云南鐵路抓住國家西部大開發和云南面向南亞東南亞輻射中心建設的機遇，積極爭取國家政策支持，鐵路投資、規劃項目落地和開通運營里程保持高位增長。

3種材料摩擦力滯回曲線見圖4。由圖可知，HLIDE，PTFE和UHMWPE 3種材料對應的滑動摩擦力曲線平臺值分別約為50，50，100 kN，按庫倫摩擦定律μ=F/N（F為摩擦力；N為豎向壓力）得到HLIDE，PTFE和UHMWPE 3種材料的干摩擦系數μ分別為0.033，0.033和0.067。

對于支座整體滯回性能，根據標準［9］中對鋼阻尼裝置試驗要求的規定，需要采用逐級加載的方式對支座進行加載。本文試驗選定了3種最大位移的試驗工況，分別是40，80，160mm，縱橋向和橫橋向滯回曲線如圖5所示。

經計算得到鋼阻尼橡膠支座中鋼阻尼組件部分的力學性能參數，見表1［7］。根據以上計算參數，所設計試驗支座的最大位移按極限值d=160 mm（約為最大位移的120%）確定。

表1　鋼阻尼組件性能參數

2.2支座設計

而且，這里需要明確一個問題，即容錯是手段，糾錯是目的。通過容錯達到糾錯的目的，從而通過不斷地先行先試來促進改革的發展和工作的深入。因此容是必須的，也是必然的。

結果表明，HLIDE與PTFE的摩擦系數要顯著小于UHMWPE，但是考慮到HLIDE的耐熱溫度達70℃以上，而PTFE的推薦使用耐熱溫度僅為40℃［12］，所以建議在鋼阻尼滑板橡膠支座中選用HLIDE作為耐磨板材料。HLIDE板與不銹鋼板摩擦，不僅可以通過摩擦力耗能減小C型鋼阻尼元件的屈服力，而且可防止因摩擦生熱量過大導致的耐磨板融化變形損壞。

根據表1中的性能參數對支座鋼阻尼組件部分力學性能進行了設計，同時考慮到地震方向的隨機性，計算了阻尼元件在多方向上的滯回性能，其中所加位移方向與縱橋向的夾角分別取0°（L-縱橋向），30°，45°，60°和90°（T-橫橋向），位移幅值均為160mm。

以廣州《時事畫報》為例，闡釋晚清嶺南報刊的發行情況。1908年，《時事畫報》已刊行4年，建立了較穩定的發行網絡，其發行分為國內、國外兩個部分。在國內其代理點集中在廣東、廣西境內，華南之外的地區少有刊行。晚清嶺南報刊其發行情況皆與其類似，如《東方報》發行地為省城、佛山、大良、梧州等，[1]《嶺東日報》集中于潮嘉地區，[2]報刊發行基本在兩廣區域內。

美國著名商業調查公司民茨公司(Mintz Group)調查員蘭德爾·菲利普斯(Randal Philips)認為，中國提出的“一帶一路”倡議是對奧巴馬政府“亞太再平衡戰略”，特別是TPP經濟倡議的回應，通過這一計劃提供有別于美國的規則與機制，而該地區相對欠缺的基礎設施投資恰好提供了通向這一替代計劃的便捷之路。而且，在中國領導人看來，“一帶一路”倡議是提升中國國際地位和形象的理想的政治經濟平臺，無論在規模還是目標上都要超越二戰后的美國馬歇爾計劃。[19]

計算所得縱橋向和橫橋向滯回曲線如圖2中0°和90°對應曲線所示。由圖可見：支座滯回曲線飽滿，呈紡錘形（梭形），無異常突變現象，性能穩定。鋼阻尼組件橫、縱橋向提供的阻尼力分別為98 kN和55 kN。標準［9］中要求屈服力偏差不超過設計值的±15%，上述設計值相對表1中的數值分別偏差-2%和10%，滿足設計要求。

滑動摩擦系數試驗完成后HLIDE板保持完整，表面無明顯深劃痕，如圖3所示。

圖2　鋼阻尼組件在不同變形方向的滯回曲線

2.3支座力學性能試驗

試驗在株洲電力機車研究所新材料檢測中心2 500 t支座壓剪試驗機上完成。在試驗樣品經專用工裝固定在試驗平臺之后，首先對支座豎向加壓，并進行1 500 kN保載以模擬支座在實際工作時的承壓狀態。

為比較鋼阻尼滑板橡膠支座中所使用的耐熱型耐磨板（HLIDE，Hot Slide）與現有標準［10-11］中推薦的聚四氟乙烯（PTFE，Polyterafluoroethylene）耐磨板和超高分子量耐磨板（UHMWPE，Ultra-high molecular weight polyethylene）在干摩擦性能方面的差異，本文在進行支座阻尼特性試驗之前對3種耐磨板完成了滑動摩擦系數試驗。試驗過程中，鋼阻尼滑板橡膠支座不安裝C型鋼阻尼元件，按最大位移d=160 mm循環加載1個周期，加載速度為2 mm/s。

支座整體力學性能試驗的加載方式按照標準［9］中的逐級加載方式進行，最大位移分別為0.25d，0.5d和1.0d，速度為2mm/s。

2.4結果分析

鋼阻尼組件在其他變形方向的滯回曲線如圖2中30°，45°和60°對應曲線所示。由圖可見：在不同方向上，該阻尼元件滯回曲線均飽滿，無異常突變現象，性能穩定，均具有較強的耗能能力。說明鋼阻尼滑板橡膠支座可以通過變換鋼阻尼元件之間夾角的方法實現不同屈服力水平。

圖3　滑動摩擦系數試驗后HLIDE板

為驗證上述鋼阻尼滑板橡膠支座方案的合理性，本文選取了某公路橋梁作為研究對象，采用鋼阻尼支座+滑板橡膠支座的計算方案對其進行減隔震分析，獲得了所需鋼阻尼滑板橡膠支座參數。

圖4　3種材料摩擦力滯回曲線

由于鋼阻尼滑板橡膠支座最主要的耗能元件為鋼阻尼元件，而在眾多形式的鋼阻尼元件中，C型鋼阻尼元件結構最為簡單，研究也比較充分［8］。為便于生產加工，試驗支座采用C型鋼阻尼元件作為耗能元件，建立了與圖1一致的Abaqus數值分析模型。

該橋為10×25 m連續梁橋，橋址區地震抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，設計地震分組為第2組，場地類型為Ⅲ類，地震動反應譜特征周期值為0.45 s。

根據有限元仿真計算所得縱橋向、橫橋向最大位移時的應力云圖可知，阻尼元件在最大位移時產生的最大Mises應力分別為390.3，413.8 MPa，且其分布較為均勻，有利于材料充分利用；最大等效塑性應變為0.034 2，0.054 1，塑性變形分布均勻，與文獻［5］的建議一致。

由圖5可知，縱橋向與橫橋向的屈服力分別約為110，165 kN，其中包含了前述HLIDE與不銹鋼板的摩擦力，約50kN，相對于計算值105，148 kN分別增大了4.8%，11.2%，試驗結果與有限元仿真設計的鋼阻尼滑板支座橫橋向和縱橋向的屈服力較為一致，符合標準［9］的規定。

圖5　鋼阻尼滑板支座滯回曲線

3　結論

利用組合式支座設計方法，通過將鋼阻尼元件與滑板橡膠支座進行組合研究了一種鋼阻尼滑板支座，得到如下結論：

1）由于鋼材與耐磨板材料性能受溫度影響較小，此支座具有更廣泛的適用性。

2）鋼阻尼元件的彈塑性變形、耐磨板與不銹鋼板的摩擦力可以耗散輸入能量。

③中職高職銜接、職業教育與普通教育相互溝通，體現終身教育理念．為學生多樣化選擇、多路徑成才搭建“立交橋”．

3）通過有限元仿真分析設計的試驗支座性能與試驗測試結果一致，試驗所得滯回曲線飽滿，在不同變形方向均具有較好的耗能效果，符合設計要求。

4）有限元數值仿真技術可較好地應用于鋼阻尼滑板橡膠支座的虛擬設計中，提高支座的研發效率。

［1］中華人民共和國交通部.JT/T 663—2006公路橋梁板式橡膠支座規格系列［S］.山東：山東科學技術出版社，2007.

［2］中華人民共和國交通運輸部.JT/T 842—2012公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座［S］.北京：人民交通出版社，2013.

［3］中華人民共和國交通運輸部.JT/T 822—2011公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座［S］.北京：人民交通出版社，2012.

［4］張銀喜，陳彥北，郭強，等.一種鋼阻尼復合滑板橡膠支座及其阻尼方法：中國，ZL201410375820.9［P］.2015-12-09.

［5］陳列，胡京濤.橋梁減隔震技術［M］.北京：中國鐵道出版社，2014.

［6］李愛群，賀星新，李建慧，等.橋梁支座雙向耗能鋼阻尼器力學性能研究［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2014，42（8）：123-127.

［7］孔令俊.鳳塘大橋減隔震分析報告［R］.株洲：株洲時代新材料科技股份有限公司，2013.

［8］劉軍，寧響亮，李文斌，等.彈塑性鋼阻尼元件在橋梁減震中的應用［J］.鐵道建筑，2012（2）：22-24.

［9］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.

［10］中華人民共和國質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GB 20688.5—2014橡膠支座第五部分：建筑隔震彈性滑板支座［S］.北京：中國標準出版社，2014.

［11］中華人民共和國交通運輸部.JT/T 901—2014橋梁支座用高分子材料滑板［S］.北京：人民交通出版社，2014.

［12］European Committee for Standardization.BS EN 1337-2 Structural Bearings—Part 2：Sliding Element［S］.London：British Standards Institution，2004.

（責任審編趙其文）

Design and Experimental Study on Sliding Plate Rubber Bearing with Steel Damper

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

Sliding plate rubber bearing with steel damper（SBSD）was analyzed in this paper.T he bearing transfers the vertical loads，and the elastic-plastic deformation of steel damper and friction from wear-resisting plate and stainless steel plate provide appropriate stiffness and dissipate energy.T he energy dissipation depends on the C-shape steel damper and friction，and the temperature effect on steel and wear-resisting components is trivial；thus，this bearing may be widely used.T he bearing design was based on the numerical analysis by using finite element method，and then the experiment was used to test the friction force and the damping property by using compressionshear test machine.T he results show that the test data of bearing are consistent with numerical simulation.T he experimental hysteresis curve is full，and the bearing dissipates energy well in different directions.T he design meets the requirements of relevant standards.

Steel damper；Sliding plate bearing；Finite element analysis；Compression-shear test

U443.36+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.08

1003-1995（2016）10-0029-03

2016-04-11；

2016-07-08

張銀喜（1985—），男，工程師，碩士。