滕文刚;孙红兰;王永祥
【摘 要】为了对比高阻尼橡胶支座和天然橡胶支座力学性能的异同,采用反复加载试验方法进行相关性试验.结果表明:随着剪应变的增加,水平等效刚度及等效阻尼比均呈反比例变化趋势;随着压应力的增加,高阻尼橡胶支座水平等效刚度和等效阻尼比呈正比例变化趋势,天然橡胶支座水平等效刚度则变化不明显;随着温度的升高,等效阻尼比和水平等效刚度均呈现减小趋势;随着加载次数增加,水平等效刚度和等效阻尼比呈减小趋势.通过工程应用案例分析,验证了隔震橡胶支座变形后的复位性能. 【期刊名称】《筑路机械与施工机械化》 【年(卷),期】2018(035)004 【总页数】5页(P63-67)
【关键词】橡胶支座;水平等效刚度;等效阻尼比;相关性试验 【作 者】滕文刚;孙红兰;王永祥
【作者单位】中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710075;西安中交土木科技有限公司,陕西西安 710075;西安市桥梁安全技术及装备工程实验室,陕西西安 710075 【正文语种】中 文 【中图分类】U441.3 0 引 言
自20世纪60年代以来，地震多发国家的桥梁开始采用橡胶支座进行隔震，以降低地震危害。橡胶支座因具有概念明确、施工简单方便、可靠性好、造价低等特点，越来越多地被应用在大型重点桥梁工程项目中。目前，橡胶支座中应用较为广泛的是天然橡胶支座和高阻尼橡胶支座［1－3］。
在桥梁减隔震设计和应用方面，李杨海对支座选用、布置原则及性能进行了梳理；庄军生对桥梁减震、隔震支座和装置进行了详细分类和归纳，并对国内外应用情况进行了综述；高山等对高阻尼橡胶支座性能进行了试验研究，－40℃～40℃的性能试验结果表明，HDR高阻尼支座在低温时性能稳定［4］。
为了更加深入地对比分析高阻尼橡胶支座和天然橡胶支座的各项性能，更好地指导橡胶支座的实际应用，本文从剪应变、压应力、温度、反复加载次数等方面对橡胶支座进行了相关性试验，并对试验结果进行重点分析；结合工程应用案例分析支座变形后的复位性能，对支座的布置提出合理建议，为不同场地类型、不同气候环境下支座的选用和布置提供参考。 1 试验概况
试验用高阻尼隔震橡胶支座规格为HDR（Ⅰ）－d420×187－G1．0（以下简称 HDR），本体胶层厚8 cm，剪切模量为1．0MPa，结构如图1所示。试验用天然橡胶支座规格为LNR－d420×128（以下简称LNR），橡胶层总厚度为7．2cm。HDR支座和LNR支座的试验加载过程和试验方法分别参照《公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座》（JT／T 842—212）和《橡胶支座第1部分隔震橡胶支座试验方法》（GB／T 20688．1—2007）中的规定。 图1 HDR结构
橡胶支座成品检测具有质量控制和力学特性检验的双重作用，故对试验用支座进行了成品支座力学性能试验，包括竖向压缩试验、水平剪切试验，结果见表1。由表1可知，支座性能满足设计要求。随后进行了力学相关稳定性试验，包括剪应变、
压应力、反复加载次数、温度。相关性试验工况如表2所示。
表1 试验用支座力学性能试验结果支座规格 竖向刚度／（kN·mm－1）水平等效刚度／（kN·mm－1）等效阻尼比／%HDR（Ⅰ）－d420×187－G1．0 750．23 1．47 15．2 LNR－d420×128 590．86 1．76 表2 试验加载工况 2 试验结果分析 2．1 剪应变相关性试验
表3记录了剪应变相关性试验结果，图2给出了支座水平性能在不同剪切变形时的变化规律。可以看出：随着变形的增大，HDR和LNR水平等效刚度均呈减小趋势，因为随着剪应变的增大，橡胶本体中心实际承受压应力的部分变小，而远离本体中心承压区橡胶受到的约束力减小，故支座的水平等效刚度均有减小，但未出现刚度硬化现象；HDR支座等效阻尼比随着变形的增大呈减小趋势。计算支座等效阻尼比的公式［5－7］为
式中：heq为等效阻尼比；Wd为每个加载循环滞回曲线所包络的面积；Kh为水平等效刚度；Tr为橡胶总厚度；γ为剪应变。
由于支座最大位移与其对应的力所包围的三角形面积增加比滞回环面积Wd增加得快很多，从而使得HDR等效阻尼比随剪切变形的增大呈反比例变化趋势。 2．2 压应力相关性试验
加载3、6、9、12MPa压应力对支座进行100%应变试验，图3为不同压应力时支座水平性能的变化曲线。从图3（a）、（b）可知：Kh随压应力的增大逐渐增大；heq随压应力的增加而增大。这是因为HDR支座的阻尼耗能由橡胶中的填料、石墨相互摩擦形成，伴随压应力的增加，石墨分子之间的摩擦力变大，消耗能量增多。同时，加劲钢板与橡胶之间的摩擦力也增大，耗能能力也有所增强。从图3
（c）可以看出，随压应力的增大，LNR天然橡胶支座的Kh变化不明显。式（2）、（3）是 HDR－G1．0支座 Kh 和heq随压应力变化的拟合公式。 表3 剪应变试验结果 图2 不同剪应变水平性能 图3 与压应力相关的水平性能
2．3 温度相关性试验
支座在恒定竖向压应力6MPa、100%剪应变以及表1规定的温度下进行试验，结果如图4所示。从图4可看出，在－20℃～0℃，随着温度的升高，HDR支座Kh呈减小的趋势。这是因为，随着温度的升高，支座产生了一定的软化现象，使支座屈服力有所减小［8－10］。在20℃～40℃时，HDR支座Kh 基本保持不变，性能稳定。LNR支座随着温度的升高，Kh呈减小趋势，但总体变化不大，说明天然橡胶支座受温度升高的影响不明显。在－20℃～40℃时，随着温度的升高，HDR支座heq呈下降趋势，即支座耗能呈减小趋势，主要原因是橡胶中添加剂石墨的硬度随温度的升高有所降低，石墨之间的摩擦耗能降低［11－13］。 图4 与温度相关的水平性能 图5 与加载次数相关的水平性能 2．4 反复加载次数的相关性试验
加载循环51次、垂直方向压应力为6MPa时，水平方向剪应变为100%。图5给出了支座Kh、heq随加载次数的变化趋势：第1～5次循环时，HDR和LNR支座的Kh及HDR支座的heq均随加载循环次数的增加而降低；而在5～30次循环过程中，HDR和LNR支座的Kh及HDR支座的heq均随加载循环次数的增加表现出缓慢减小趋势；在30～50次循环过程中，变化不明显。
3 工程应用分析
众所周知，橡胶支座的水平变形能力强，且具有很强的变形恢复能力。Katsaras等进行的由欧盟资助的研究阐述了对橡胶支座自复位能力的规定，并且提议对Eurocode进行修改；通过对大量具有双线性滞回特性的单自由度系统的动态分析，和对包括永久位移和累计位置在内的位移反应的统计分析认为，在满足式（4）的情况下，橡胶支座具有足够的自复位能力，即在连续地震及微小位移作用下没有永久位移积累［14－17］。
式中：D为橡胶支座的设计位移；DR为滞回曲线的下降处与零力轴相交处的位移。HDR支座的设计满足此条件，因此可以完全复位。
2015年08月19日19时02分，在乌鲁木齐市米东区（北纬43．8°，东经88．0°）发生4．0级地震，震源深度10km。附近某高速上的现浇箱梁项目正在建设中，且为弯桥，桥梁用HDR支座已经安装，全线还未通车。在这次地震后，桥梁的一跨引桥支座仍有残余剪切位移，其余支座均复位正常，如图6所示。究其原因是，当时桥台处正在施工，积土及碎石还未处理干净，地震时桥台发生剪切移位而形成的缝隙被积土和碎石填充，造成支座恢复空间受阻，因此剪切位移一再积累，形成图6（a）的剪切残余变形，其中右侧更加明显。经过清理，支座慢慢复位，且复位效果良好，也验证了本项目减隔震设计的效果。图6（b）是清除碎石一晚上后第二天早晨所拍摄的照片，在支座恢复力作用下桥梁复位明显。右边剪切变形较大的支座仍有少许剪切位移没有复位，这说明支座的复位是缓慢进行的。 图6 支座复位前后对比
橡胶支座变形恢复时间受配方、工艺等的影响不好控制，但其恢复力可以通过调整支座的布置方式控制。传统支座布置习惯是中墩布置固定支座，桥台和过渡墩处布置滑动支座；然而弯桥受力比较复杂，梁体需要承受弯扭耦合作用，导致支座受力
比直线桥梁更加复杂，要求更高。因此，在现浇箱梁跨径不大或弯桥时，建议全部采用隔震橡胶支座，不采用滑动支座，以利于在各种不利荷载时桥梁整体协调受力，在发生剪切位移时提供更大的恢复力，使梁体复位。 4 结 语
本文通过对HDR和LNR支座的性能研究及工程应用分析得到如下结论。 （1）随着剪应变的增加，支座的Kh及heq均呈递减趋势。
（2）伴随压应力的增大，HDR支座Kh和heq呈正比例变化趋势，LNR支座Kh则变化不明显。
（3）伴随温度的升高，Kh和heq均呈现反比例变化趋势，到20℃以后HDR支座的Kh变化不明显。
（4）随着加载循环次数的增多，Kh和heq均呈减小的趋势。
（5）建议现浇箱梁在跨径不大和弯桥时全部采用隔震橡胶支座，不要采用滑动支座，以利于在各种不利荷载时桥梁整体协同受力，在发生剪切位移时提供更大的恢复力，使梁体复位。
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