可降低橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)的鋼支座應(yīng)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(guó)內(nèi)外橋梁工程、工業(yè)與民用建筑的一種結(jié)構(gòu)支承，是由結(jié)構(gòu)鋼制作的支座，其他一些附件則采用復(fù)合材料、橡膠以及聚四氟乙烯等制作。鋼結(jié)構(gòu)支座具有承載力大、構(gòu)造簡(jiǎn)單、適應(yīng)性好以及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于橋梁和建筑工程。

1 研究現(xiàn)狀

我國(guó)在20世紀(jì)80年代中后期，開始廣泛將鋼支座應(yīng)用于橋梁等結(jié)構(gòu)工程，并于1990年制定了第一部盆式支座的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，后又經(jīng)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(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，后經(jīng)過多次修訂形成了目前在用的《球形支座》標(biāo)準(zhǔn)，為規(guī)范和大面積使用鋼支座奠定了基礎(chǔ)。橋梁鋼支座實(shí)物如圖1所示。

圖1 橋梁鋼支座實(shí)物

目前，我國(guó)公路、市政以及高架橋等大型工程上采用T梁、箱梁等結(jié)構(gòu)居多。這類橋梁結(jié)構(gòu)采用鋼支座最合理和方便。雖然在這類橋梁結(jié)構(gòu)中使用鋼支座具有很多優(yōu)越性，但也在使用過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題，主要表現(xiàn)為橋梁運(yùn)營(yíng)過程中橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度及結(jié)構(gòu)的噪聲較大。

2 新型鋼支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)、構(gòu)筑物及機(jī)械設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備及構(gòu)筑物，能夠最大程度減小機(jī)械噪聲、振動(dòng)以及沖擊帶來的負(fù)面影響，起到一定的緩沖作用[1]。我國(guó)的工程技術(shù)人員在20世紀(jì)七八十年代就做過有益的嘗試。據(jù)《橋梁支座》介紹，沈陽鐵路局曾分別對(duì)采用鋼支座和橡膠支座的兩座鋼橋進(jìn)行動(dòng)力性能對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，橡膠材料填充的支座對(duì)振動(dòng)和沖擊具有緩沖作用，梁的動(dòng)撓度和動(dòng)應(yīng)力在橡膠阻尼作用下減小了大約30%[2]，極大地降低了動(dòng)荷載對(duì)橋梁和墩臺(tái)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(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)鋼支座的結(jié)構(gòu)形式，充分發(fā)揮橡膠材料的減震性能，更好地實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)減振和降噪的需求。

如圖2所示，一種可降低橋梁結(jié)構(gòu)噪聲和振動(dòng)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(shè)有若干個(gè)凸塊。鋼蓋板3的凸塊與普通鋼支座1的凹槽的結(jié)構(gòu)相匹配，鋼蓋板3的凸塊插入普通鋼支座1的凹槽內(nèi)。鋼蓋板3的凸塊與普通鋼支座1的凹槽之間的間隙處設(shè)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(shí)現(xiàn)。這個(gè)橡膠墊板2在普通鋼支座1和鋼蓋板3之間形成了一個(gè)緩沖、隔離層，可以有效降低或吸收從上部結(jié)構(gòu)傳下來的振動(dòng)和沖擊，達(dá)到降噪減震的目的。

圖2 新型鋼支座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)，是具有一定厚度的鋼制品。橡膠墊板2采用動(dòng)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(jù)圖2的方案設(shè)計(jì)圖，建立新型橋梁結(jié)構(gòu)鋼支座的三維模型，如圖3所示。

圖3 新型鋼支座結(jié)構(gòu)三維模型

3 仿真分析

3.1 有限元模型建立

針對(duì)第2節(jié)中提出的一種新型鋼支座結(jié)構(gòu)，1:1設(shè)計(jì)三維模型，應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行該鋼支座在極限載荷下的應(yīng)力應(yīng)變情況仿真分析。有限元網(wǎng)格模型劃分，如圖4所示。

圖4 有限元網(wǎng)格模型

3.2 極限載荷工況應(yīng)力和應(yīng)變分析

橋梁結(jié)構(gòu)行業(yè)規(guī)范要求，模擬實(shí)況需要對(duì)上連接板頂面施加豎向壓縮荷載，從0至設(shè)計(jì)最大承載力Pmax逐漸增大進(jìn)行加載，取Pmax=3 500 kN，共循環(huán)3次。仿真模擬載荷布置圖、結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖和結(jié)構(gòu)整體應(yīng)變?cè)茍D，結(jié)果分別如圖5、圖6和圖7所示。

可見，新型鋼支座整體應(yīng)力極值為125.838 MPa，極值點(diǎn)出現(xiàn)在頂部蓋板與連接支撐墊的交界處。此處因?yàn)榻孛娲笮“l(fā)生突變，分析定性為應(yīng)力集中造成，但仍然遠(yuǎn)小于鋼板的屈服強(qiáng)度極限310 MPa。從強(qiáng)度角度上來說，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。新型鋼支座整體應(yīng)力極值為94.521 mm，出現(xiàn)在橡膠減震墊上。因?yàn)橄鹉z材料為非線性材料，彈性模量本身很小，認(rèn)為出現(xiàn)應(yīng)力極值為材料本身特性導(dǎo)致。整體橡膠材質(zhì)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(zhì)硬度的共同影響。若想充分吸收振動(dòng)，建議使用材質(zhì)更軟的橡膠。若是考慮形變量不宜過大，則建議選用材質(zhì)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(yīng)力云圖

圖7 3 500 kN荷載作用下新型減振支座應(yīng)變?cè)茍D

4 減振參數(shù)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(duì)新型結(jié)構(gòu)支座進(jìn)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(dòng)力分析步中將特定荷載幅值及頻率正弦波激勵(lì)施加于該支座，表達(dá)式為：

式中：?W表示滯回曲線的面積；豎向動(dòng)剛度為豎向力的最大值，F(xiàn)1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(duì)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(huì)隨之遞增?？芍?，在已經(jīng)確定了橋梁支座模型參數(shù)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(jié)論

本文提出了一種能夠降低橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)的組合型式新型鋼支座，能夠有效降低橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度，解決橋梁運(yùn)營(yíng)過程中的結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題。這種新型組合式鋼支座不僅能夠應(yīng)用于市政、公路以及所有的橋梁結(jié)構(gòu)，而且能應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng)工程及其他各種建筑結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的普適性。本文對(duì)新型鋼支座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，并通過有限元模擬與數(shù)值分析驗(yàn)證了該方案的可行性，研究了新型減振支座的力學(xué)性能，得到結(jié)論如下：

（1）通過分析各組成部分的受力，發(fā)現(xiàn)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(yīng)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。