新型高阻尼橡膠隔震支座在工程中等效水平與力學性能試驗

徐 潔,鄭宣宣,張 喆

(陜西工業職業技術學院,陜西 咸陽 712000)

中國幅員遼闊,在廣袤的土地和綿長的海岸線上分布著多個地震帶。一旦發生地震,橋梁、建筑等的破壞幾乎不可避免。因此,加強建筑工程結構中支座的隔震作用是非常重要的。當前國家在進行一般橋梁、建筑等工程防震時,通常都是引入鉛芯疊層橡膠隔震支座,對不同的建筑物及其各部分結構進行支持,以幫助建筑物在承受地震運動時能夠充分減震。然而,這種裝置的缺陷明顯,低溫情況下容易發生硬化,導致隔震性能降低[1]。因此,開發出一些新的材料,能夠在不大幅改變支座整體結構的同時增強裝置的抗低溫性等性能,成為建筑工程領域的重要研究方向。本文研究了高阻尼橡膠材料支座在工程結構中的隔震作用,通過實驗分析驗證了該材料的綜合性能,材料的一些隔震性能、安全及環保性能等,認為高阻尼橡膠材料是一種較為適合應用于隔震支座的現代新型材料。

1 高阻尼橡膠材料支座

高阻尼橡膠材料支座(HDRB)是由高阻尼橡膠(HDR) 和鋼板硫化粘接而成,HDR作為HDRB 的重要組成部分,其力學性能和本構關系對 HDRB 的影響至關重要。本試驗應用于建筑結構上的高阻尼橡膠隔震支座, 橡膠材料是決定性能的關鍵,本文設計NR/NBR二元復合橡膠材料的新配方進行制備,并對橡膠制備所需要的材料、儀器、試驗設備和工藝流程進行了闡述。

1.1 高阻尼橡膠支座的構造

HDRB 是由多層鋼板與多層橡膠在高溫下硫化粘接而成,其中鋼板對橡膠層有約束作用,提供豎向剛度,HDR提供水平柔度,HDRB 采用的是具有粘彈性的HDR,不僅使支座具有很好的彈性恢復力,還具有良好的耗能能力,相比較需要附加阻尼器提供阻尼的普通橡膠支座,HDRB 可以節省空間,同時便于施工。

1.2 高阻尼橡膠支座的力學性能

HDRB 是連接主梁和橋墩的重要構件,掌握其力學性能和性能劣化規律對橋梁的設計與使用具有重大意義。HDRB 的基本力學性能大都采用電液伺服加載系統進行試驗,通過對 HDRB在不同壓力、剪應變、加載頻率、溫度等條件下進行試驗,獲得 HDRB 的等效剛度、等效阻尼比和耗能能力等力學性能。

1.3 高阻尼橡膠支座的本構模型

HDRB 力學性能復雜,不能用簡單的模型準確描述其力學行為,因此能準確表征其滯回特性的模型是目前主要研究內容之一。在規范JT-T 842—2012《公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座》中,采用雙線性恢復力模型來簡化模擬 HDRB 的本構關系。基于振動臺試驗對規范中的雙線性模型進行了修正,修正后的模型可以更好地反映在經歷大應變后的小應變力學行為,采用修正的雙線性滯回模型描述HDRB力學行為。

2 力學性能試驗研究

2.1 動力裝置

如圖1所示為實驗設備的水平和豎向加載設備。水平加載設備(動力液壓伺服作動器)選用的是煙臺偉航電液設備有限公司的。該動力液壓伺服作動器主要負責為實驗提供水平方向的位置、速度以及力矩變化。反饋電位器與指令電位器接成橋式電路。反饋電位器滑臂與控制對象相連,其作用是把控制對象位置的變化轉換成電壓的變化。在進行高阻尼橡膠材料支座綜合性能實驗時,液壓伺服作動器的最高加載工作值可以達到9 000 kN以上,水平位移是310 mm左右。豎向加載是自動平衡裝置,主要由4個豎向靜力動作器組成,其在實驗過程中的最大工作值為750 kN,減少設備在工作中的摩擦力也起到了保護設備的主要作用[2-3]。

圖1 水平和豎向加載示意圖

2.2 試件材料

本實驗的試件高阻尼橡膠材料支座主要分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ這3類,其平面尺寸和橡膠層數相同,均為410 mm×410 mm×7層。其中,每類橡膠材料的總厚度為110 mm,每層的厚度均為18 mm。實驗中,高阻尼橡膠材料的水平剪切采用G12(1.2 N/mm2)進行[4-5]。

2.3 試驗方案

在進行模擬實驗時,首先進行順應變加載試驗,需設定高阻尼橡膠材料支座豎向荷載為960 KN。將正弦激勵波輸入到水平動力液壓伺服動作器中,并對四類實驗材料分別輸入不同的正弦波(0.1、0.3、0.5 Hz),然后再將振幅進行轉變(50%、100%、150%),將該實驗步驟重復進行6次,每一振幅試驗完成之后需要靜置 1 d,帶其彈性狀態恢復之后再進行重復[6]。

3 試驗結果與分析

3.1 高阻尼橡膠支座的水平性能

將第1批試件Ⅰ、Ⅱ進行水平方向的性能試驗,然后分析和計算水平力和位移的變化值(50%、100%、150%和200%)。最后進行等效水平剛度(Feq)和等效阻尼比(Peq)的計算:

(1)

(2)

式中:N+表示曲線最大水平正位移;N-表示最大水平復位移;M+表示N+對應的水平力;M-表示N-對應的水平力;T表示滯回曲線形成的面積[7-9]。

由式(1)和式(2)可知試件Ⅰ、Ⅱ在不同振幅下的參數,結果如表1所示。

表1 試件Ⅰ、Ⅱ的主要參數Tab.1 Main parameters of specimen Ⅰ and Ⅱ

由表1可知,試件Ⅰ、Ⅱ等效水平剛度隨應變幅值的增大呈遞減趨勢,試件的等效阻尼比基本無太大變化,且試件的等效阻尼比基本都保持在23%以上,說明試件Ⅰ、Ⅱ等效阻尼比隨應變幅值的變化較小,且試件的等效阻尼比較好[10]。

3.2 高阻尼橡膠材料支座隔震力學性能的相關性研究

3.2.1應變幅值對高阻尼橡膠支座性能的影響

選取材料Ⅲ研究應變幅值對高阻尼橡膠支座性能的影響,設定實驗的豎向壓力為12 MPa,激勵頻率為0.02 Hz,將應變幅值從15%漲到270%,在應變幅值變化過程中將材料Ⅲ的動態水平性能的滯回曲線進行記錄,并根據這些數據計算出材料Ⅲ在應變幅值變化中的效水平剛度和等效粘滯阻尼比,結果如圖2、圖3所示[11-12]。

圖2 等效水平剛度隨應變幅值的變化曲線

圖3 等效阻尼比隨應變幅值的變化曲線

由圖2可知,當應變幅值小于120%時,材料Ⅲ的等效水平剛度隨應變幅值的增大而減小;當應變幅值大于120%時,材料Ⅲ的等效水平剛度變化較小,基本呈不變趨勢。由于應變幅值越大高阻尼橡膠材料支座的剛度越小,說明其隔震效果越佳[10-11]。

由圖3可知,材料Ⅲ的等效阻尼比隨應變幅值的變化先呈較大變化,之后基本保持不變。數值變化的分水嶺為應變幅值為120%,當應變幅值小于120%時,材料Ⅲ的等效阻尼比保持在20%～30%;當應變幅值大于120%時,材料Ⅲ的等效阻尼比基本保持不變約為16%。由此可知,當應變幅值越小高阻尼橡膠材料支座的等效阻尼比越大。

3.2.2激勵頻率對高阻尼橡膠支座性能的影響

研究激勵頻率對橡膠支座性能的影響時,將系統的激勵頻率應變幅值設定為一恒定值100%,豎向面壓為12 MPa,通過實驗得到相關頻率數據和位移滯回曲線圖,結果如圖4所示[13]。

(a)等效水平剛度隨頻率的變化曲線

由圖4可知,各頻率下的水平力和位移的滯回曲線基本上處于重合的狀態,等效水平剛度和等效阻尼比基本上不隨著頻率的變化而變化。因此,從變化曲線上觀測波動相對較小,激勵頻率與高阻尼橡膠支座是成正比的[14]。

3.3 隔震分析實例概述

3.3.1大橋概況

擬建大橋橋位處于南方某山部地區,由于受地形影響地質構造較為特殊,山體連綿起伏,走向與構造線呈小角度相交,為NE～SW向展布[16-17]。本橋起點樁號為K013+551.55,終點樁號為K013+855.05,全長304 m,為弧形橋,其半徑為795 m,上部結構為(16×22)m。橋箱使用預應力鋼筋混凝土,下部橋體設計成圓柱形狀,采用鋼筋混凝土進行澆筑。

3.3.2隔震分析計算內容

(1)隔震前后橋梁的有限元建模及其動力特性分析;

(2)E1水準地震作用下,整橋不隔震與隔震的位移和內力及對比;

(3)E2水準地震的作用下,整橋不隔震于隔震的位移對比度。

3.3.3隔震分析地震動參數選取

(1)隔震測試設置基本地震加速度為0.25 g,設防烈度為7度;

(2)隔震測試場地選取為中級建筑場地,場地特征周期Tg=0.55 s;

(3)將分組設計分為3組實驗;

(4)地面輸入加速度記錄地震反應分析時,設置普通地震為E1=75 cm/s2,罕遇地震E2=255 cm/s2[18]。

3.4 實例分析結果

通過以上隔震分析結算內容下可得出2種結果,首先是對隔震橋梁實驗相關情況進行介紹,主要包括到有橋梁的幾本說明/數值分析等,其次考慮到隔震結構的地震響應與速度輸出的地震動強度密切相關。因此,實驗中輸入并且分析在2種不同的地震水準下,3種橡膠支座的速度相關性對隔震橋梁地震響應的影響,最后基于實時子結構實驗結果,對比3種橡膠相關性模型和速度無關的雙折線模型在隔震橋梁動力時呈分析中的效果。

4 結語

(1)通過研究Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3類不同高阻尼橡膠材料支座的等效水平剛度、等效阻尼比等數據,得到了相關驗證。當材料的阻尼比大于20%時,材料的阻尼性能較好;

(2)應變幅值對材料的水平剛度與豎向壓力有顯著影響。當應變幅值增大時,等效水平剛度的變化為先減小后保持平穩,其隨豎向壓力的增大呈正增長;而等效阻尼比的變化不明顯,當應變幅值較小時其數值較大;

(3)當應變幅值小于120%時,材料Ⅲ的等效水平剛度隨應變幅值的增大而減小;當應變幅值大于120%時,材料Ⅲ的等效水平剛度變化較小,基本呈不變趨勢。由于應變幅值越大高阻尼橡膠材料支座的剛度越小,綜合而言本次實驗的高阻尼橡膠材料所構建的減震支座結構整體減震效果較佳。除此之外,由于該類型橡膠的污染性先比一般鉛金屬或橡膠成分而言沒有污染,環保性能顯然更好。