橋梁高阻尼隔震橡膠支座性能試驗研究

陳彥江, 郭凱敏, 李 勇, 陳 飛

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點試驗室，北京 100124； 2.清華大學(xué) 土木工程系，北京 100084)

橋梁高阻尼隔震橡膠支座性能試驗研究

陳彥江1, 郭凱敏1, 李 勇2, 陳 飛1

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點試驗室，北京 100124； 2.清華大學(xué) 土木工程系，北京 100084)

高阻尼隔震橡膠支座是一種具有耗能性能的新型隔震支座，已經(jīng)開始應(yīng)用于橋梁減隔震控制中。為了研究這種新型隔震支座的滯回性能，選取用于某高速公路橋梁的高阻尼隔震支座進行豎向壓縮和水平剪切加載試驗研究，研究其豎向壓應(yīng)力、水平極限剪切應(yīng)變、加載頻率及加載次數(shù)對滯回性能的影響。研究結(jié)果表明：高阻尼隔震橡膠支座的滯回曲線較為飽滿，耗能效果較好，且多次循環(huán)加載后其耗能能力未出現(xiàn)降低的趨勢；加載頻率對于支座的等效剛度和等效阻尼有一定的影響。

高阻尼橡膠隔震支座；豎向壓縮剛度；滯回性能；水平等效剛度；等效阻尼比

地震會引起大量建筑破壞，導(dǎo)致人員傷亡和社會財產(chǎn)損失。其中，橋梁結(jié)構(gòu)的破壞或倒塌及其隨后產(chǎn)生的交通中斷等對于震后救災(zāi)有著極其不利的影響[1]，如何有效減小地震對橋梁的破壞是橋梁抗震設(shè)計過程中需要重點考慮到一個方面，其中一種有效的抵御地震破壞的抗震措施就是隔震技術(shù)。近些年來，隔震技術(shù)得到了比較快速的發(fā)展，隔震技術(shù)的抗震效果也在若干次地震中得到了認(rèn)可，隔震橡膠支座技術(shù)是最成熟也是工程中應(yīng)用最廣泛[2～7],同樣在橋梁工程中也被廣泛應(yīng)用。隔震橡膠支座的類型有低阻尼天然及合成隔震橡膠支座、鉛芯隔震橡膠支座、高阻尼隔震橡膠支座等；高阻尼橡膠支座是由多層鋼板與多層橡膠在高溫下硫化粘結(jié)，其中鋼板對橡膠層有著約束作用，高阻尼隔震橡膠支座采用的是具有黏彈性的高阻尼橡膠材料，本身具有耗能作用，相比較需要加阻尼器提供阻尼的普通橡膠支座，高阻尼橡膠支座可以節(jié)省空間，同時便于施工。我國目前的橋梁隔震結(jié)構(gòu)中，最常用的隔震裝置是鉛芯隔震橡膠支座，但試驗研究證明鉛芯隔震橡膠支座使用的橡膠在低溫下存在著迅速硬化的現(xiàn)象[7]；研究也發(fā)現(xiàn)在低周疲勞作用下支座中的鉛芯將產(chǎn)生疲勞剪切破壞，使支座的阻尼性能大幅度降低[8]；此外鉛芯隔震橡膠支座在生產(chǎn)和使用過程中，其所含的鉛將對環(huán)境造成比較嚴(yán)重的污染，而使用新型的高阻尼隔震橡膠支座，既能更加有效地保證工程結(jié)構(gòu)的安全，又能避免對環(huán)境的污染[9]。

本文選取應(yīng)用于某實際橋梁的高阻尼隔震支座進行壓剪試驗以得到此類型支座的滯回曲線，進而了解其耗能性能，為隔震設(shè)計提供一定的參考。

1 試驗概況

本次試驗共選取了3個規(guī)格相同的高阻尼隔震支座，型號為HDR(Ⅱ)-500×550×201-G8/8，其中HDR為公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座名稱代號，(Ⅱ)表示支座結(jié)構(gòu)類型為Ⅱ型，表示支座本體與預(yù)埋鋼板采用卡榫連接，500×550×201表示支座縱橋向尺寸為500 mm、橫橋向尺寸為550 mm和支座高度為201 mm，G8/8表示支座設(shè)計剪切模量為1 MPa[10]。試驗時，將這三個支座編號為HDR-1、HDR-2和HDR-3，試驗支座剖面圖如圖1所示。

試驗裝置采用40 000 kN多功能電液伺服加載系統(tǒng)，為國內(nèi)最大最大噸位試驗機，提供最大40 000 kN的軸力和4 000 kN的水平力，如圖2所示。

圖1 高阻尼隔震橡膠支座示意圖(單位:mm)Fig.1 Schematic diagram of HDRBS(unit:mm)

圖2 40 000 kN多功能電液伺服加載系統(tǒng)Fig.2 40 000 kN Multifunctional hydraulic servo loading system

2 試驗內(nèi)容

2．1 支座壓縮性能試驗

選取HDR-1做豎向壓縮性能試驗，根據(jù)規(guī)范確定壓縮性能試驗方法：按0-P0-P2-P0-P1(第一次加載)，P1-P0-P2-P1(第二次加載)，P1-P0-P2-P0-P1(第三次加載)，P2為1.3P0，P1為0.7P0，其中P0為設(shè)計壓力[11]。本次試驗采用4個位移計對稱布置，由于支座內(nèi)部橡膠不均勻和支座布置誤差可能引起壓縮過程中支座有轉(zhuǎn)角，對稱布置有效減少支座有轉(zhuǎn)角引起的誤差。位移計布置如圖3所示。

設(shè)計壓力P0值為1 644.55 kN和3 289.11 kN，從而考慮不同設(shè)計壓力的豎向壓縮剛度，試驗加載曲線如圖4所示。

圖3 位移計布置Fig.3 Displacement meter layout

圖4 HDRBS在不同設(shè)計壓力P0下的豎向壓縮曲線Fig.4 Vertical compression curve of HDRBS under different dsesin presssure P0

豎向壓縮剛度計算時應(yīng)取第三次循環(huán)的曲線進行計算，計算公式如下

Kv=(P2-P1)/(X2-X1)

(1)

式中:P2為1.3P0，P1為0.7P0，X2為壓力為P2時的豎向壓縮位移，X1為壓力為P1時的豎向壓縮位移。

由圖4可得，P0值為1 644.55 kN和3 289.11 kN時，豎向壓縮剛度分別為1 077.5 kN/mm和3 133.5 kN/mm。

從豎向壓縮性能試驗結(jié)果可以看出，豎向壓縮剛度隨著豎向壓力的增大有著顯著的提高，但是豎向壓力超過最大設(shè)計壓力會導(dǎo)致支座橡膠保護層的開裂以及支座屈服豎向變形無法完全恢復(fù)，影響支座的性能。

2．2 支座剪切性能的剪應(yīng)變相關(guān)性試驗

選取HDR-1做剪應(yīng)變相關(guān)性試驗，由于雙剪試驗方法較為繁瑣，而且一次試驗測得的剪切性能為兩個支座的平均值，當(dāng)需要判定每個支座的性能時，需采用3個支座混合成3對進行試驗[11]，本試驗采用單剪試驗方法。

試驗過程中，存在摩擦力，測試摩擦力的裝置如圖5所示，測試方法具體步驟為：鎖定壓剪裝置的水平作動器；對試件施加指定的豎向壓力；驅(qū)動附加作動器。摩擦力傳感器記錄的力為2倍的摩擦考慮摩擦力對剪力的修正按如下式計算：

Q=Qs-Fr

式中:Q為實際剪力；Qs為記錄的剪力；Fr為摩擦力傳感器記錄摩擦力的1/2。(已下結(jié)果均已進行摩擦力修正，慣性力不足記錄剪力的1%不作修正)

圖5 測定摩擦力的試驗裝置示意圖Fig.5 Experimental device schematic diagram of determination of friction

確定試驗方案：加載頻率0.01 Hz，壓力P0為3 289.11 kN，支座剪應(yīng)變r分別取50%、100%和150%，支座內(nèi)被橡膠層總厚度為96 mm，50%、100%和150%剪應(yīng)變分別為48 mm、96 mm和144 mm。試驗結(jié)果見表1，滯回曲線如圖7所示。取第三次循環(huán)的曲線進行計算,水平等效剛度和等效阻尼比安式(2)～(5)計算(參見圖6)

Kh=(Q1-Q2)/ (X1-X2)

(2)

heq=2ΔW/πkh((X2-X1)2

(3)

X1=Tr(r)

(4)

X2=Tr(-r)

(5)

式中:Q1表示最大剪力，Q2表示最小剪力，X1表示最大位移，X2表示最小位移，其中ΔW表示滯回曲線包絡(luò)面積(即每個滯回耗散能量)，kh水平等效剛度，Tr表示支座橡膠層總厚度，r表示剪應(yīng)變。滯回參數(shù)計算示意圖如圖6所示。

圖6 滯回性能參數(shù)計算示意圖Fig.6 Calculation schematic diagram of parameters of hysteretic behavior

表1 剪應(yīng)變對滯回性能參數(shù)的影響

圖7 剪應(yīng)變對滯回性能的影響Fig.7 The effect of shear strain on parameters of hysteretic behavior

由表1和圖7可以看出，隨著剪應(yīng)變的增大，水平等效剛度明顯減小，阻尼比有所增大，支座每圈循環(huán)耗散能量顯著增多。在加載過程中，隨著剪應(yīng)變的增大，支座內(nèi)部橡膠層發(fā)生傾斜導(dǎo)致橡膠有效剪切面積減小，而且在小應(yīng)變情況下，高阻尼橡膠的初始剛度大，主要表現(xiàn)為彈性性能，隨著剪切變形的增大，高阻尼橡膠主要表現(xiàn)為粘性性能，所以支座水平等效剛度減小，等效阻尼比略微增大，而且每個滯回耗散能量顯著增加，說明在高阻尼隔震橡膠支座在發(fā)生大變形時依然能保持較好的耗能性能，有效減少地震作用對橋梁的破壞。

2．3 支座剪切性能的加載頻率相關(guān)性試驗

選取HDR-2和HDR-3做加載頻率相關(guān)性試驗，研究加載頻率對高阻尼隔震支座滯回性能的影響。確定試驗方案為：剪應(yīng)變100%，豎向壓力P0為3 289.11 kN，加載頻率為0.005 Hz，0.02 Hz和0. 025 Hz，得到的試驗結(jié)果見表2，滯回曲線如圖8所示。

表2 頻率對滯回性能參數(shù)的影響

由表2和圖8可以看出，隨著加載頻率的增大，高阻尼橡膠隔震支座的等效剛度和等效阻尼比呈現(xiàn)增長的趨勢，而且耗能能力也增大。

2．4 支座剪切性能的壓應(yīng)力相關(guān)性試驗

選取HDR-3做壓應(yīng)力相關(guān)性試驗，試驗方法:剪應(yīng)變100%，P0分別選取1 644.55 kN和3 289.11 kN，試驗結(jié)果見表3，滯回曲線如圖9所示。

表3 壓應(yīng)力對滯回性能參數(shù)的影響

由表3和圖9可以看出，支座的水平等效剛度和等效阻尼比隨著支座壓力的增大而增大。支座豎向壓應(yīng)力的增大使支座內(nèi)部的橡膠層更加密實，高阻尼橡膠材料內(nèi)部摩擦力增大，而且也導(dǎo)致橡膠保護層對內(nèi)部橡膠層的壓力增大，從而支座水平等效剛度、等效阻尼和耗能能力都增大。

圖8 加載頻率對滯回性能參數(shù)的影響Fig．8Theeffectoffrequencyonparametersofhystereticbehavior圖9 壓應(yīng)力對滯回性能參數(shù)的影響Fig．9Theeffectofcompressivestressonparametersofhystereticbehavior

2．5 支座剪切性能的反復(fù)加載次數(shù)相關(guān)性試驗

由于橋梁支座在車輛荷載作用下不斷地發(fā)生豎向壓縮變形、水平剪切變形，同時在地震過程中會發(fā)生多次大變形狀態(tài)下的往復(fù)剪切變形，所以需要研究高阻尼橡膠隔震支座在循環(huán)往復(fù)水平荷載作用下的滯回性能。選取HDR-1做反復(fù)加載相關(guān)性試驗，試驗方法:壓力P0取1 644.55 kN，加載頻率為0.01 Hz，循環(huán)往復(fù)次數(shù)為50次，提取循環(huán)1、3、5、10、30、40、50次的滯回曲線進行分析，試驗結(jié)果見表4，滯回曲線如圖9所示。

表4 反復(fù)剪切對滯回性能參數(shù)的影響

圖9 反復(fù)加載對滯回性能參數(shù)的影響Fig.9 The effect of repeated shear on parameters of hysteretic behavior

由表4和圖9可以看出，隨著加載循環(huán)次數(shù)的遞增，水平等效剛度下降，后面趨于穩(wěn)定，根據(jù)規(guī)范以第三次循環(huán)計算的等效剛度和等效阻尼比為基準(zhǔn)值，變化范圍在±15%以內(nèi)，符合設(shè)計要求；同樣，等效阻尼比基本不變，在規(guī)范允許變化范圍之內(nèi)，其阻尼比的降低遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉛芯橡膠支座，可見多次反復(fù)加載對高阻尼隔震橡膠支座的滯回性能影響很小；從滯回曲線結(jié)果來看，曲線形狀豐滿變化很小，從△W的變化來看，隨著循環(huán)次數(shù)的增加而△W變化不大，而且越到后來變化越小，這同樣表明高阻尼橡隔震橡膠支座有良好的耐久耗能性能。

2．6 支座極限剪切性能試驗

根據(jù)規(guī)范要求，應(yīng)測定高阻尼橡膠支座在最大設(shè)計壓應(yīng)力下的極限剪切位移能力，取極300%設(shè)計剪應(yīng)變，加載至極限剪切位移，觀察支座有沒有明顯的破壞跡象。試驗加載曲線如圖10所示，支座外觀如圖11所示。

圖10 極限剪切加載曲線Fig.10 Ultimate shear loading curve

圖11 極限剪剪切加載后支座外觀Fig.11Bearing appearance affter ultimate shear loading

支座加載至極限剪應(yīng)變時，支座橡膠與連接板邊緣處有1～2 mm的脫膠，不影響支座本身的性能，支座極限剪切性能滿足抗震設(shè)計要求。

3 結(jié) 論

由于橡膠支座的制作工藝比較復(fù)雜難以精確控制和橡膠材料本身的力學(xué)性能比較復(fù)雜導(dǎo)致高阻尼隔震橡膠支座性能的差異，本次試驗為同一種型號的支座，在完全相同的試驗條件下仍然存在差異，但是基本規(guī)律可循，所得結(jié)果歸納如下：

(1) 豎向壓力對壓縮剛度有較大的影響，隨著壓力的增大壓縮剛度有顯著的增大，而且水平等效剛度和等效阻尼比也增大，這對于橋梁抗震隔震是有利的，但是豎向壓力過大會導(dǎo)致支座變形無法恢復(fù)甚至開裂，所以應(yīng)根據(jù)橋梁的荷載情況選擇合適規(guī)格的支座。

(2) 剪應(yīng)變對支座的剪切性能有著較大影響，隨著剪應(yīng)變的增大等效剛度降低，而對等效阻尼比的影響不明顯，高阻尼橡膠支座的耗能性能比較穩(wěn)定；高阻尼橡膠隔震支座在發(fā)生較大剪切變形時依然保持良好的性能，在橋梁設(shè)計時應(yīng)考慮伸縮縫長度以及主梁和擋石之間的距離能否滿足其變形要求。

(3) 滯回性能隨著剪切頻率的增大而提高，這對于高阻尼橡隔震膠支座在各級地震中都有著良好的隔震效果。

(4) 反復(fù)循環(huán)對支座的滯回性能影響較小，等效剛度和等效阻尼比的值都在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，可以看出高阻尼隔震橡膠支座具有良好的耐久性能。

(5) 采用天然橡膠作為隔震層的普通個隔震支座，由于天然橡膠耗散能力低下，在地震時不能有效的吸收能量，因此地震能量仍然由上部結(jié)構(gòu)承擔(dān)，而且自身因剪切變形過大發(fā)生剪切破壞；而高阻尼橡膠支座，因為高阻尼橡膠隔震層能有效的吸收很多地震能量，從而減少上部結(jié)構(gòu)承受的地震能量。

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Behavior of high damping seismic isolation rubber bearings for bridges

CHEN Yan-jiang1, GUO Kai-min1, LI Yong2, CHEN Fe1

(1. Beijing Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit,Beijing University of Technology, Beijing 100024, China;2. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

High damping seismic islolaton rubber bearings (HDRBS) as a new kind of isolation rubber with the good performance of consuming energy have been used in bridge seismic isolation control recently. In order to study the hysterertic behavior of this new kind of isolation rubber, high damping seismic islolaton rubber bearings used in a highway bridge were taken as objects in vertical compression and horizontal shear loading tests. The effects of vertical stress, horizontal ultimate shear strain, loading frequency and loading times on hysteretic properties were investigated. The results show that the hysteretic curve of HDRBS is rather plump, describing good energy comsuming character and after repeated cyclic loading the performance of consuming energy does not appear decreasing trend. In addition loading frequency has some effect on the equivalent bearing stiffness and equivalent damping ratio.

high damping seismic isolation rubber bearing; vertical compression stiffness; hysteretic behavior ;horizontal equivalent stiffness; equivalent damping ratio

國家自然科學(xué)基金項目(51378037)；博士后科學(xué)基金項目(2013M540957)

2014-01-08 修改稿收到日期：2014-06-03

陳彥江 男，教授,博士生導(dǎo)師，1963年生

U443.36+1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.09.025