（固体力学专业论文）板式橡胶支座力学性能试验研究及数值模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目前板式橡胶支座己广泛应用于桥梁工程中，它能将桥梁结构上部的恒载与活载传 递到桥墩上，同时保证桥梁所要求的位移与转动，保证结构在活载、温度变化、混凝土 收缩和徐变等因素作用下的自由变形，以使上下部结构的实际受力情况符合结构的静力 受力状态。然而，在使用过程中板式橡胶支座会出现被压溃、开裂等异常现象，致使橡 胶支座功能失效，导致这些异常现象发生的主要原因就是板式橡胶支座力学性能未满足 其设计要求。 本文主要对板式橡胶支座的抗压弹性模量、抗剪弹性模量两个重要力学性能指标进 行试验研究，并在试验结果的基础上对均匀胶层厚度和不均匀胶层厚度两种情况进行数 值模拟，分析橡胶支座内部应力分布规律，具体内容如下： ( 1 ) 传统抗压弹性模量试验方法比较繁琐，占用试验人员大量时间，本文对传统抗 压弹性模量试验方法进行了改进，将持荷时间集中起来进行集中持荷，通过对 不同类型支座进行试验，试验结果表明该改进试验方法所得结果符合标准规定 误差范围，为试验人员节省了大量时间，并且还消除了传统方法中的累计误差。 ( 2 ) 抗剪弹性模量试验需要竖向施力机构和水平施力机构同时作用完成试验，整套 试验设备耗资较大，尤其水平施力机构更具挑战性。本文结合实验室现有试验 设备自行研制了抗剪弹性模量试验设备，并采用该套试验设备进行抗剪弹性模 量试验，所得试验结果满足试验标准要求，作为一项探索的研究工作取得了初 步成果。 ( 3 ) 在抗压弹性模量试验结果的基础上对板式橡胶支座的均匀胶层厚度和不均匀 胶层厚度两种情况进行数值模拟。将数值计算分析结果与试验结果和解析解进 行比较证明模型建立正确。从应力分析结果可以看出支座中的剪应力对橡胶支 座功能发挥影响较大，并且形状系数与剪应力有近似反比的关系；建议将形状 系数和胶层厚度的均匀性在标准中单独作为一项重要检测指标，同时也为橡胶 支座设计和使用提供参考和建议。 关键词：抗压弹性模量；形状系数；数值模拟；抗剪弹性模量 板式橡胶支座力学性能试验研究及数值模拟 t e s tr e s e a r c ha n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f p l a t et y p ee l a s t o m e f i cp a d b e a r i n g s a b s tr a c t a tp r e s e n tp l a t et y p ee l a s t o m e r i cp a db e a r i n g sh a v e b e e nw i d e l yu s e di nb r i d g e e n g i n e e r i n g ，w h i c hc a nt r a n s m i tt h ep e r m a n e n tl o a da n dv a r i a b l el o a dt o t h ep i e r sa n d s i m u l t a n e o u s l ym e e tt h ed i s p l a c e m e n ta n dr o t a t i o nr e q u i r e db yt h eb r i d g ea n dt h ef r e e d e f o r m a t i o nc a u s e db yv a r i a b l el o a d ，t e m p e r a t u r ec h a n g e s ，c o n c r e t ec o n t r a c t i o n ，c r e e pa n ds o o n ，s ot h a tt h ea c t u a ls i t u a t i o no ff o r c ef r o mt o pt ob o t t o ms t r u c t u r ec o m p l yw i t ht h e s t a t i c t y p es t r u c t u r e h o w e v e r ，d u r i n gt h ec o u r s eo fu s e ，t h ep l a t et y p ee l a s t o m e r i cp a d b e a r i n g sw i l la p p e a rs o m ea n o m a l i e s ，s u c ha s ，c o l l a p s e ，c r a c k i n ga n ds oo n ，w h i c hw i l lc a u s e t h eb e a r i n g sf a i l u r e 1 1 1 em a i nr e a s o nr e s u l t i n gt h e s ea n o m a l i e si st h a tt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fp l a t et y p ee l a s t o m e r i cp a db e a t i n g sd o e s n ts a t i s f yi t sd e s i g nr e q u i r e m e n t i nt h i sp a p e r , t e s tr e s e a r c hh a v eb e e np e r f o r m e do nt h et w oi m p o r t a n tm e c h a n i c a l p r o p e r t i e si n d i c a t o rc o m p r e s s i v em o d u l u so fe l a s t i c i t ya n ds h e a rm o d u l u s n u m e r i c a l s i m u l a t i o nh a sb e e np e r f o r m e do nt h eb a s eo fr e s u l t so ft e s tu n d e rt h es i t u a t i o nu n i f o r ma n d u n e v e nt h i c k n e s so fe l a s t o m e rl a y e r , w h i c ha n a l y z ei n t e r n a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h e e l a s t o m e r i cb e a r i n g a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et r a d i t i o n a lt e s tm e t h o d so fc o m p r e s s i v em o d u l u so fe l a s t i c i t yt e s ta r er a t h e r c u m b e r s o m ea n dt a k eu pe x p e r i m e n t a l i s t s l o t so ft i m e t l l i sp a p e rh a si m p r o v e dt h e t r a d i t i o n a lt e s tm e t h o d so fc o m p r e s s i v em o d u l u so fe l a s t i c i t yt e s t ，w h i c hh a sc o l l e c t e d t h eh o l d i n g - l o a dt i m et o g e t h e rt oc o n c e n t r a t eo nh o l d i n gl o a d t h et e s t sh a v eb e e n p e r f o r m e do nd i f f e r e n tt y p e so fb e a r i n g s w h i c hr e s u l t ss h o wt h a tt h er e s u l t so ft h e i m p r o v e dt e s tm e t h o dc o n f o r mt ot h ee r r o rr a n g er e g u l a t e db yt h es t a n d a r da n dc a n e f f e c t i v e l ys a v et i m ef o r t h ee x p e r i m e n t a l i s t s ，a l s oe l i m i n a t et h ea c c u m u l a t i v ee r r o r ( 2 ) 1 1 1 es h e a rm o d u l u so fe l a s t i c i t yt e s tn e e dt h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a li m p o s i n gl o a d o r g a nt ow o r ks i m u l t a n e o u s l yt oc o m p l e t et h i st e s t t h ew h o l et e s te q u i p m e n tc o s t v e r ym u c h e s p e c i a l l yt h eh o r i z o n t a li m p o s i n gl o a do r g a ni sm o r ec h a l l e n g i n g t 1 1 i s p a p e rh a sd e v e l o p e dt h es h e a rm o d u l u so fe l a s t i c i t yt e s te q u i p m e n to nt h eb a s eo f e x i s t i n ga p p a r a t u s e si nt h el a b o r a t o r yb ys e l fa n dc a r r i e do u tt h es h e a rm o d u l u so f e l a s t i c i t yt e s tu s i n gt h ea b o v es e to fe q u i p m e n t t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es e to f t e s te q u i p m e n tc a nm e e tt h et e s ts t a n d a r dr e q u i r e m e n t ，w h i c hh a v em a d ep r e l i m i n a r y r e s u l t sa sa ne x p l o r a t o r yr e s e a r c hw o r k 一i i 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sh a v eb e e np e r f o r m e do nt h ee l a s t o m e r i cb e a r i n g so nt h e b a s e o ft h er e s u l t so ft h ec o m p r e s s i v em o d u l u so fe l a s t i c i t yt e s tu n d e rt h et w o s i t u a t i o n su n i f o r i l la n du n e v e ne l a s t o m e rl a y e r t h ef e am o d e lo fe l a s t o m e r i c b e a r i n gh a sb e e np r o v e dt i g h tt h r o u g hc o m p a r i n gt h ea n a l y s i sr e s u l t sw i t ht h et e s t r e s u l t sa n dt h e o r e t i cf o r m u l a e i tc a nb es e e nf r o mt h es t r e s sa n a l y s i sr e s u l t st h a tt h e s h e a rs t r e s si n s i d et h eb e a r i n g sa f f e c tg r e a t l yt h ef u n c t i o no ft h eb e a t i n ga n dt h es h e a r s t r e s sa r ei n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt ot h es h a p ef a c t o ro ft h eb e a r i n g s i ti sp r o p o s e dt h a t t h es h a p ef a c t o ra n dt h ee l a s t o m e rl a y e rt h i c k n e s ss h o u l db es o l e l yf o r m u l a t e da sa r l i m p o r t a n tt e s ti n d i c a t o r i na d d i t i o n t h ea n a l y s i sr e s u l t sa l s op r o v i d et h ed e s i g na n d a p p l i c a t i o no ft h eb e a r i n g sw i t hr e f e r e n c ea n dr e c o m m e n d a t i o n k e yw o r d s ：c o m p r e s s i v em o d u l u so fe l a s t i c i t y ：t h es h a p ef a c t o r ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ：t h es h e a rm o d u l u so fe l a s t i c i t y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：盔丝鳖 导师签名盗击邋 2 鱼2 主年月旦日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 文献综述 橡胶支座在桥梁工程中应用相当广泛，主要是因为橡胶支座在车辆通过时有明显的 隔振和减振效果，并且在刹车力的作用下还有明显的抗剪切变形的能力，同时在房屋结 构框架柱基础上使用橡胶支座还能起到隔震的作用。橡胶支座的型式具有多样性主要类 型1 1 有板式橡胶支座、盆式橡胶支座、球型橡胶支座、铅芯板式橡胶支座，其中以板式 橡胶支座应用最为广泛，因此对板式橡胶支座的研究工作是一个比较热门的课题。 1 1 1 板式橡胶支座的发展和应用 板式橡胶支座是桥梁支座的一种类型，是连接桥梁和桥墩的重要传力构件，并且在 满足桥梁竖向力作用的同时还能满足桥梁上部结构的变形和转动，在结构的传力和耐久 性上起着重要作用，它具有构造简单、加工制造容易、用钢量少、成本低廉、安装方便 等优点，目前在国内外桥梁工程中得到了广泛应用。 上个世纪三十年代，法国己将合成橡胶支座应用于小跨径桥梁，四十年代起，许多 国家陆续开始在桥梁中采用橡胶支座，至五十年代后期已得到普遍推广使用【2 】。 法国布罗东纳斜拉桥主塔下采用了加劲板式橡胶支座，它是由沿周边安置十块大小 不等的板式橡胶支座组成，支座承受的竖向力达9 7 5 0 吨。上世纪5 0 年代末，美国在位 于林肯城的p e h l h e m 大桥第一次使用了板式橡胶支座。前苏联从1 9 5 9 年起就开始在公 路和铁路桥梁上使用橡胶支座。日本东北干线的鬼怒川铁路预应力连续桥于1 9 6 1 年使 用了板式橡胶支座，该桥每年通过的列车载重量达1 0 0 0 万吨之多，到目前使用情况良 好。 目前，可以说橡胶支座几乎已经推广到世界各国。在我国板式橡胶支座从1 9 6 5 年 起由上海市橡胶制品研究所、上海市政工程研究所和上海市政设计院等单位开始研制与 试验，并先后在广东、上海、山东、广西、福建、江苏、浙江和安徽等地部分公路桥梁 上使用。全国最早使用板式橡胶支座的是广东肇庆的公路桥，至今已有2 5 年多的使用 历史。1 9 7 5 年开始，以天然橡胶为主体的耐低温板式橡胶支座应用于北方，从此板式橡 胶支座在全国各地广泛应用。目前板式橡胶支座己成为国内公路与城市桥梁广泛采用和 深受欢迎的一种支座型式。 板式橡胶支座力学性能试验研究及数值模拟 1 1 2 板式橡胶支座的工作原理和构造 板式橡胶支座的主要作用【3 】是将桥梁结构上部的恒载与活载传递到桥墩上，同时保 证桥梁所要求的位移与转动，保证结构在活载、温度变化、混凝土收缩和徐变等因素作 用下的自由变形，以使上下部结构的实际受力情况符合结构的静力受力状态。另外，橡 胶支座还能起到一种隔震、防震的作用。橡胶支座必须满足以下功能要求：首先，桥梁 必须具有足够的承载能力，以保证安全可靠地传递支座反力；其次，支座对桥梁变形( 位 移和转角) 的约束应尽可能的小，以适应梁体自由伸缩及转动的需要。此外支座应便于 安装、养护和维修，并在必要时进行更换。 要满足这些要求，板式橡胶支座在竖直方向应具有足够的刚度，从而保证在最大竖 向荷载作用下支座产生较小的压缩变形。橡胶支座在水平方向则应具有一定柔性，以适 应车辆制动力、温度、混凝土收缩和徐变及活载作用下梁体的水平位移。同时，支座的 厚度要能适应梁体转角的需要。 板式橡胶支座一般分为加劲支座和非加劲支座【4 】。在桥梁上多采用加劲式橡胶支座， 为了提高橡胶支座的竖向承载能力，通常采用薄钢板( 厚度一般取为2 m m 、3 n u n 、5 m m 等) 和橡胶层( 厚度一般取为5 m m 、8 m m 、1l i i ：u n 等) 通过高温硫化粘结层叠而成，所 采用的橡胶一般有天然橡胶和氯丁橡胶。氯丁橡胶除抗冻和弹性性能外，其他性能( 如 耐油、耐腐蚀、抗老化和阻尼等) 均优于天然橡胶，在东北地区多采用天然橡胶。橡胶 板的横向变形受到约束，从而提高了橡胶支座的竖向刚度。同时，薄钢板不影响橡胶板 的剪切变形，使橡胶板对任何水平方向的运动均呈柔性约束。当橡胶支座承受水平荷载 时，其橡胶层的相对侧移大大减小，使橡胶支座可达到很大的整体侧移而不失稳，而且 保持较小的水平刚度( 仅为竖向刚度的1 5 0 0 - - - 1 1 5 0 0 ) 。并且，由于夹层钢板与橡胶 层紧密粘结，橡胶层在竖向地震作用下还能承受一定的拉力，使该种支座成为一种竖向 承载力极大、水平刚度较小、水平侧移容许值很大、又能承受竖向地震作用的理想装置。 图1 1 为板式橡胶支座承压、承剪和转动时的应力分布【4 j 。 苏趱 t 毒 撑 = = = = 寰= = = = 酝= = = = = 黜 一嚣笔嚣- 篁嚣l = 嚣嚣嚣；， 互：矽誓篮夏t 馨 豢薅 t 魄o _ 篁= = = = = = 嚣譬= = = = = = 蔫 ，_ - q - - _ _ _ _ _ o ， 二= = 竺= = = = 警l ?， _ _ _ - 一 一辩 琶 忑j 二= z 王j + 图1 1 板式橡胶支座的应力状态 f i g 1 - 1t h es t r e s ss t a t eo fp l a t ee l a s t o m e r i cb e a r i n g 擘雪 大连理工大学硕士学位论文 板式橡胶支座根据表面形状可以分为圆形支座和矩形支座两种。结构如图1 2 所示。 i 暾、 l j k ( a ) 圆形橡胶支座 ( b ) 矩形橡胶支座 ( a ) r o u n de l a s t o m e r i cb e a r i n g( b ) r e c t a n g u l a re l a s t o m e r i cb e a r i n g 图1 2 橡胶支座结构 f i g 1 2t h es 咖c t u r eo fe l a s t o m e r i cb e a r i n g 板式橡胶支座较刚性支座具有下列优点【3 1 ： 1 板式橡胶支座构造简单、加工制造方便、成本低廉、节约钢板。 2 橡胶支座工作性能可靠，具有良好的弹性阻尼、可减少动载荷对桥跨结构及墩 台的冲击作用，改善桥梁受力性能。 3 橡胶支座几乎不需要经常性的养护，减少养护工作量。 4 橡胶支座的水平动力阻尼特性，可改善桥梁的整体抗震性能。 1 1 3 板式橡胶支座的计算 板式橡胶支座的计算包括确定支座尺寸，验算支座受压偏转情况以及验算支座的抗 滑稳定性【2 1 。 橡胶支座的平面尺寸a b 也由橡胶板的抗压强度和梁部或墩台顶混凝土的局部承 ， r 压强度来确定，即满足条件：仃= 等= 二毛【仃，】，式中：n 为最大支点反力； 盯，】为 以口d 。 橡胶支座的平均容许压应力。 橡胶支座的重要特点就是梁的水平位移要通过全部橡胶支座的剪切变形来实现，因 此确定支座的厚度h ，先要知道主梁由于温度变化等因素预计将产生的纵向最大水平位 板式橡胶支座力学性能试验研究及数值模拟 移值。橡胶片的总厚度r 可按公式f 寺计算，式中：a g 为上部结构在 0 7 一- 二二l 2 g 口6 恒载作用下由温度变化等因素引起作用于一个支座上的水平位移；研为作用于一个支 座上的活载制动力；g 为支座剪切模量。确定了橡胶片总厚度y f ，再加上金属加劲板 的总厚度就可得到所需支座的总厚度h 。 主梁受荷载作用发生挠曲变形时，梁端将引起转角秒，此时支座伴随出现线性的压 1、f ， 缩变形，在外侧为磊，在内侧为乏，其平均压缩变形则为万= 寺( 4 + 色) = 等，式中： j 己 j n u e ，为橡胶支座的弹性模量。支座梁端产生的偏转角为秒= 二( 破一匹) 。为了保证支座偏转 7 口一 时橡胶支座与梁底不发生脱空而出现局部承压转角，则应满足磊o 即万：笺颦孚。 l ! j a b 2 橡胶支座通常放置在墩台顶面与梁底之间，当梁体因温度变化等因素引起水平位移 。以及有活载制动力作用时，支座将承受相应的纵向水平力作用。为了保证橡胶支座 与梁底或墩台顶面间不发生相对滑动，则应满足甜= ( g - i - 坼幽) 1 4 q + 坼，式中：g 为恒载产生的支座反力；，商。为与计算制动力相对应的汽车活载产生的最小支座反力； e 为由温度变化等因素引起作用于一个支座上的纵向水平力；研为由活荷载制动力引 起作用于一个支座上的纵向水平力：甜为橡胶与混凝土、钢板间摩擦系数。 1 1 4 橡胶支座在制作和使用过程中存在的问题 根据某一检测中心近两年的数据表明橡胶支座存在的主要问题有【3 5 】：选用的橡 胶材料的品种规格不遵守国家产品标准规定；构造不合理，许多橡胶层厚度不均匀， 金属板层数不规范，如图1 3 所示；制作工艺不合理，表现在橡胶层与金属板粘结力 不够；一些生产厂家不了解橡胶支座的技术性能，不懂生产工艺，盲目生产。橡胶支 座成品质量的好坏与橡胶支座的材料质量有着很大的关系，橡胶支座一般有橡胶和钢板 ( 或帆布、钢丝网、钢筋等) 层叠组成，然而在支座生产过程中，厂家为了追求利益在 天然橡胶中掺入再生胶，大大缩短了橡胶支座的使用寿命。再生胶是以废旧橡胶制品为 原料，经过粉碎、拌油、脱硫和压炼等生产工艺生产的胶料，它具有生胶的一些性能， 但比生胶节约费用，原料来源广，工艺简单，非常受橡胶支座厂家的青睐。 图1 3 橡胶层厚度不均匀现象 f i g 1 3t h ep h e n o m e n ao fu n e v e nt h i c k n e s so fe l a s t o m e rl a y e r 将再生胶掺入天然橡胶制造胶料，即使物理机械性能检测符合标准，f 日是与没有掺 入再生胶的天然橡胶胶料在硫化后橡胶分子交联结构在本质上是有区别的，再生胶中的 丙酮抽出物和氧化物( 特别是金属物质) ，将促进橡胶早期老化，橡胶的老化直接影响 支座的寿命，橡胶的老化是一种多种因素参与的复杂的、不可逆转的化学反应，再生胶 本身已存在相当程度的老化，其分子链结构，也不同于橡胶硫化后而构成的三维刚状交 联结构。橡胶支座内部的加劲钢板应采用完整无损的钢板，不允许采用拼接钢板，在橡 胶支座服役过程中，如果钢板发生断裂会使橡胶支座的抗压刚度严重削弱。橡胶支座作 为桥梁的重要构件，承受和传递粱体荷载并适应梁体的转动和位移，支座一旦安装更换 将非常困难。 橡胶支座功能的发挥不但受到设计、制作加工等因素的影响，还受到安装施卜这4 、 环节的影l 匈。在橡胶支座的安装施工过程中经常出现各种质量问题，这些质量问题都能 导致橡胶支座功能的发挥，在施工过程中常见的问题有以下，l 种【6 “： 1 ) 支座艳石与梁底支撑楔块的位置、尺寸、标高的施工偏差过大； 2 1 支座挚石混凝上不水平、不平整； 3 ) 支座挚石与梁底支撑楔块内钢筋缺漏或保护层厚度过大： 4 ) 个别支座的规格型号与发计要求不完全相符； 5 ) 支座的安装位胃、方向的施工偏差过大； 6 ) 支座上下面未与梁底支撑面、挚石顶面完全密贴或支座顶面不水i f 、支座顶标 高偏差过大，出现支座局部脱空、偏压等现象； 橡胶支座在制造和安装过程中，出现的各种问题都能够影响支座功能的发挥。图1 4 为桥梁上橡胶支座的施工现场。 ( b ) ( c ) ( d ) 图1 4 桥梁橡胶支摩的施r 现场 f i g 1 4c o n s t r u c t i o ns c e n eo fb r i d g ee l a s t o m e n cb e a r i n g 1 2 橡胶支座的研究概况 1 2 1 国外研究概况 国外对橡胶支座的研究起步较e ，对橡胶支座的力学性试验、隔震和结构型式等都 做了大最的研究。c e mt o p k a y a 对橡胶支座力学性能试验进行了研究并指出采用斜压法 s 1 进行抗剪弹性模量试验，以此代替小试样剪切试验和完整试样剪切试验是两项传统的 大连理工大学硕士学位论文 测定橡胶支座抗剪弹性模量的试验方法，这两种传统的剪切试验设备比较昂贵，操作过 程也比较复杂，并且不能准确的反应完整橡胶支座的性能特性，因此斜压法在橡胶支座 成品抗剪弹性模量的力学性能实验中就显示出了较前两种试验方法操作简便、价格低廉 的优越性，试验模型如图1 5 所示。斜压法所需要的设备主要有压缩试验机和三块倾斜 的承压钢板，其中顶部和底部的承压钢板都是镶嵌在试验机的承载板上，橡胶支座按照 图1 4 放置，当施加竖向压力时，支座同时也受到剪切作用力，剪切力( h ) 和压力( p ) 的关系为h = m xp ，式中m 为斜承压板的斜率。三块斜压钢板的斜率控制在1 ：2 0 到1 1 0 之间这样能保证剪力为压力的5 到1 0 ，同时中间的斜压板会产生于剪力相对应的位 dz 移。，按照公式g = l r f l _ r 。7 l r t ，计算出抗剪弹性模量，式中死是橡胶层总厚度；么是剪切 。 4 ， 一 面积。斜压法的一个不足之处就是需要试验机的吨位较大。 图1 5 斜压法试验模型图 f i g 1 5b a r o c l i n i ct e s tm o d e l 在结构隔震方面，层压式橡胶支座是一个普遍认可防震的有效方法，它能够减小传 递到结构上的地震力，从而削除对结构本身的永久性损伤。s l b u r t s c h e r ，a d o r f m a n n 等人【9 】采用以具有高阻尼性质的天然橡胶为材料的支座是一种既简便又经济的减震方 法，它能够有效地消除地震波的冲击并且不需要有其它的辅助装置。橡胶支座在制作过 程中将加劲板在水平方向加工为“v 字形，其斜率一半为正，另一半为负，如图1 6 所示；然而从纵向看支座还是水平的。这种支座能起到很好的减震作用，它在两个方向 上具有不同的动力特性。在竖向承压试验中这些橡胶支座因为加劲板具有斜率而负有弹 性，其中支座3 的竖直刚度最大，支座4 的竖直刚度最小；在水平剪切试验中这些橡胶 支座的耗散能量的能力较水平加劲板的支座强，也就是水平刚度比较大，其中支座6 的 水平刚度最大，耗散能量最强，内置水平加劲板的支座7 具有较其他几个支座小的水平 刚度。从这里可以看出，内置“v ”字形加劲板的支座具有很好的在抗震作用。 板式橡胶支座力学性能试验研究及数值模拟 8 _ 噌7 图1 6 内置“v ”字形加劲板橡胶支座 f i g 1 6e l a s t o m e r i cb e a r i n gw i t hb u i l t - i n “v s h a p e ds t i f f e n i n gp l a t e 形状系数对橡胶支座的影响无论是在损伤还是在应力扩散和应力集中方面都是相 当大的，其研究价值也是值得关注的，层叠式的橡胶支座既有竖直刚度的特点又有水平 弹性的特性非常适合于用作隔震装置，对橡胶支座被压溃情况的估算在橡胶支座的设计 过程中是一个相当重要的方面，在下列情况下最容易发生支座的压溃情况：在整体破坏 或者发生了屈曲而破坏或者局部出现了裂纹或者是发生了开胶或者是钢板弯曲变形这 些现象都会导致橡胶支座被压溃。然而由于橡胶支座是由橡胶和钢板两种物质组成的， 并且两种材料的刚度值有着很大的差别，这就使对支座的应力分析难度加大了， m i m b i m b o ，a d el u c am a t l 0 】提出可以利用数值模拟来得到橡胶支座在受力时的应力扩散 和应力集中情况，在数值模拟中这个应力分析结果是一个线性的分析结果，在这个线性 f q = 0 2 2 = = p 分析过程中把法向应力偏量都忽略掉，应力结果就由 q ：= 0，来提供应力 【乃l o 乃2 o 场进行计算。其中的应力p 在不可压缩条件下用通过偏微分方程得到。尤其，对于圆形 板式橡胶支座，半径为r ，厚度为f ，在承受轴向压力f 作用下，其压应力和剪应力气。、 p ：鲨壁# ：婆f 尺：- r 2 ) 口= 一= i a 毛：就可以用下面的公式给出1 万r 4 、 7 ，其中，是由中心到某个点的 乃l2 r 3 22 一i 2 亏尹驴 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 半径，p 。是由f 。：定义的，此公式可以作为圆板式橡胶支座内部应力分析的参考公 7 t - 瓜 式。 在过去的近几十年，计算机对科学计算的深远影响是毋庸置疑的，它大大的拓展了 工程问题的可解范围。同时有限元法( f e m ) 、边界元法( b e m ) 、有限差分法( f d m ) 和离散单元法( d e m ) 已经成为工程界常用的数值模拟方法，其中最具广泛性和实用性 的是有限单元，其基本思想是将问题的求解域分成许多单元，单元之间由节点相互连接， 只要单元满足问题的收敛要求，则随着单元尺寸的减小和求解区域内单元数的增多，近 似解将最终收敛于精确解，有限单元法的基本思想在上世纪四十年代初就被提出，五十 年代最先应用于航空工业中飞机结构的矩阵分析，1 9 6 0 年美国克拉夫在其发辫的题为 “平面应力分析的有限单元法”中得以广泛应用，基于此编制的较大型的面向工程的有 限元通用程序以使用方便，计算精度高，其模拟结果已成为工程产品设计和性能分析的 可靠依据，以a n s y s 为代表的有限元模拟分析软件，已成为目前结构工程学、宇航工程 学、岩土力学热传导及流体力学、生物医学等众多研究领域有力的分析工具，在减少工 业设计和制造费用优化设计和降低成本，性能估计等方面发挥着重要的作用。 对橡胶支座的有限元分析也得益于计算机和有限单元的发展，然而现在在橡胶支座 的分析中还存在以下几个问题【l0 1 1 】：橡胶支座总体模型的建立和单元类型的确定、橡胶 材料参数的确定、橡胶支座顶面和底面与试验用承载板之间的接触问题以及橡胶支座内 部橡胶层与钢板之间的接触问题。 1 2 2 国内研究概况 国内对橡胶支座也进行了大量的研究，例如板式橡胶支座力学性能的评价【1 1 1 、支座 橡胶材料本构模型的研究、板式橡胶支座抗震性能的研列1 2 】、形状系数与橡胶支座损伤 的关系研究【1 3 1 4 】以及橡胶支座在安装使用过程中经常出现的问题等等。 为了保证橡胶支座的规范使用，交通部行业标准j t t 4 - - 2 0 0 4 公路桥梁板式橡胶 支座【1 5 】，与2 0 0 4 年6 月1 日开始实施，并代替了原标准j t 僻1 9 9 3 公路桥梁板式 橡胶支座 1 6 1 和j t 3 1 3 2 3 呻o 公路桥梁板式橡胶支座成品力学性能检验规则【1 7 】，梁 部旧标准合二为一。同时在橡胶支座力学性能的试验方法上也做了较大的改进，j t t 4 - 2 0 0 4 中规定抗压弹性模量试验自1 m p a 起以0 0 3 0 0 4 m p a s 的施力速率均匀加载至 4 m p a ，持荷2 m i n 后采集变形值，然后以每2 m p a 为一级逐级加载，每级持荷2 m i n 后 采集变形值。直至平均压应力为止；而j t t 卜1 9 9 3 和j t 3 1 3 2 3 叫o 中规定以1 m p a 为 一级逐级加载，每级持荷3 m i n 后采集变形值。直至平均容许压应力为止。由此可以看 出标准中的抗压弹性模量试验方法向着简便并且实用的方向发展。 板式橡胶支座力学性能试验研究及数值模拟 黄跃平等人【1 8 】提出改变加劲钢板的结构能同时改变橡胶和钢板的受力情况，使其在 纵向保持约1 1 m p a 的剪切刚度的同时，可提高支座的横向剪切刚度，成为异型板式橡 胶支座。将加劲钢板在横桥向做成折线形，通过改变折起坡度和折起长度来改变横向刚 度。新型横移板式支座的造假与普通的橡胶支座相当，工艺工程相同，外表尺寸可以同 需要更换的支座保持基本一致，更换也比较方便，在满足顺桥向使用要求的同时也提高 了横桥向的刚度。新型抗横移板式橡胶支座的这些优点将使其在铁路桥梁上应用有良好 的发展前景。 胥明等人【1 4 】指出由于支座内部胶层与钢板( 柔性与刚性) 连接面的边缘处存在着较 高的应力集中现象。当橡胶与钢板边沿处应力大于橡胶撕裂强度或粘结强度时，将导致 支座内部萌生空穴或产生裂纹，随之裂纹扩展，必将造成表面损伤，逐渐使支座功能失 效。 支座的损伤主要原因是支座钢板边缘的剪应力，当形状系数较小时，位于钢板边缘 的胶层剪应力较大，容易造成胶层与钢板剥离，产生空穴。使支座的损伤程度提高。在 支座的设计上，除了要考虑支座承载面积和支座高度这两个因素外，也考虑形状系数的 影响。 刘文光，杨巧荣，周福霖等人【l9 】提出橡胶界限性能的研究集中在三个方面，分别是 压缩界限性能、拉伸界限性能和压缩剪切界限性能。屈曲界限性能的研究开展较少。橡 胶座竖向压缩界限特性包含压缩界限应力及竖向压缩屈曲应力两方面特性。由于橡胶座 采用多层橡胶与多层钢板交互叠置经高温高压硫化制成，因此在竖向压力作用下，支座 内部的橡胶和钢板难以达到完全平行，橡胶座将首先屈曲，其后进入压缩破坏状态。橡 胶座在进入屈曲临界状态，即屈曲临界压力只，作用时，支座水平刚度心趋于0 。橡胶 支座的界限剪切应变随压缩应力的增加不断降低，同时支座的屈曲应力和界限剪应变和 第二相关系数也相关，与压缩应变相关的计算是采用支座上下表面橡胶面积与截面面积 比计算确定的，最后文献指出建筑用低弹性橡胶支座的拉伸设计应力界限可设定为3 倍 的橡胶剪切弹性模量，这一结果是偏于安全的，并且橡胶支座不会出现过大变形，因而 对结构的影响可以忽略；文献 1 9 】还指出随着压应力的增加，支座的界限剪切应变不断 减小，并且建议评价建筑用橡胶支座的界限压缩应力，需要考虑橡胶材料和支座形状系 数的影响，对建筑用橡胶支座的拉伸应力应考虑橡胶材料的特性，界限值可设定为3 g ( g 为剪切弹性模量) ，屈曲应力和界限剪切应变的关系可近似采用线性关系描述，同 时界限剪切应变的最大设计值应考虑屈曲应力和形状系数的影响。从以上可知形状系数 是橡胶支座设计中的一个重要参数。 大连理工大学硕士学位论文 橡胶支座力学性能试验对试验机有一定的要求，祝江鸿等人【2 0 】对板式橡胶支座抗压 弹性模量测试装置进行了研究，指出试验机上下承载板的变形方向和它们中间受压的橡 胶支座的横截面积大小有关，当橡胶支座的横截面积小于承载板横截面时，下承载板是 向上弯曲的，而上承载板是向下弯曲的，所以这时候测得的位移值是大于橡胶支座实际 位移值的；同时上下承载板相对位移大小和橡胶支座的横截面积大小也有关，承载板 相对位移绝对值的大小与橡胶支座横截面积的大小近似相反；从此文献还可以得知在具 体设计上下承载板厚度时，在给定上下承载板的平面尺寸和能够试验的橡胶支座的尺寸 规格范围时，给出一定的相对误差，就可以计算出满足误差范围的最小上下承载板的厚 度。 1 3 本文主要研究工作 本文对橡胶支座主要力学性能指标进行了试验研究和数值模拟，橡胶支座作为桥梁 上的重要传力构件必然要求其具有良好的力学性能以适应桥梁各种承载工况，准确、快 捷的通过试验获得抗压弹性模量和抗剪弹性模量这两个橡胶支座的重要力学性能指标， 并了解支座内部应力状况就是本文的主导线索。 现行橡胶支座力学性能试验方法比较繁琐，并且某些试验设备需要自行设计，本文 就以此作为切入点进行展开研究工作，具体工作分以下几个部分： 第一部分，对抗压弹性模量试验方法进行研究。从抗压弹性模量试验过程中影响试 验结果的因素，例如，持荷时间，进行考虑，通过调整这些影响因素从中得到一种比较 合适并且还能得出准确的实验结果的试验方法。 第二部分，对抗剪弹性模量试验的研究和试验设备的研制。抗剪弹性模量试验需要 竖向和横向两套施力机构，本文在抗剪弹性模量试验前做好试验设备的标定和安全保险 工作，应用该套设备测出橡胶支座的抗剪弹性模量，并与抗剪弹性模量标准值比较，最 后分析采用该套试验设备进行抗剪弹性模量试验结果测量的误差来源。 第三部分，在抗压弹性模量试验得出试验数据的基础上，运用有限元软件对橡胶支 座均匀橡胶层厚度和不均匀橡胶层厚度两种情况进行数值模拟计算，研究橡胶支座内部 应力分布规律，橡胶支座由橡胶和钢板层叠制成，其中橡胶材料是一种非线性材料并且 每种橡胶的材料参数不尽相同，所以其材料参数需要通过试验获得。从橡胶支座上裁剪 橡胶材料，制备橡胶试样。对试验数据进行拟合，得出橡胶材料参数。 板式橡胶支座力学性能试验研究及数值模拟 2 板式橡胶支座抗压弹性模量f 试验研究 一般来说，力学性能是工程材料研究和应用的关键问题【2 0 1 ，主要是因为： 。( 1 ) 力学性能通常是工程结构和构件设计中最重要的数据和依据； ( 2 ) 力学性能通常是新材料能否由研制状态进入工程应用的基本考核指标，尤其 是综合性能( 包括强度和塑性) 的优劣常常是决定性因素； ( 3 ) 任何结构的失效( 包括不能满足设计的工作能力或未达到预期的工作寿命而 损坏) 尽管形式多种多样，研究其原因除设计不当外，一般都归因于在服役 的荷载形式和条件下其未能达到要求的力学性能。 所以通常的失效分析在很大程度上也是围绕荷载和环境以及相关力学性能分析而 展开的。 2 1 橡胶支座力学性能试验项目及其应满足的要求 橡胶支座的成品力学性能是确保支座正常工作的重要技术性能指标【l5 1 ，支座的主要 试验项目有：抗压弹性模量试验、剪切弹性模量试验、容许剪切角试验、抗剪粘结性能 试验、抗剪老化试验、四氟板与不锈钢板摩擦系数试验、容许转角试验、极限抗压强度 试验。在这些力学性能试验项目中，抗压弹性模量和抗剪弹性模量是最重要也是最基本 的橡胶支座力学性能指标，本文就以这两个性能指标为研究对象。 各项试验项目应满足的要求如表2 1 所示 表2 1 各项力学性能试验指标 t a b 2 1t h et e s ti n d i c a t o r so f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 项目指标 极限抗压强度r ( m p a ) 7 0 实测抗压弹性模量e ( m p a ) 五巨2 0 实测抗剪弹性模量g ( m p a ) g 1 g 1x 1 5 实测老化后抗剪弹性模量g 2 ( m p a )g l g l 1 5 项目指标 混凝土桥 1 3 0 0 实测转角正切值 钢桥 1 5 0 0 实测四氟板与不锈钢板表面摩擦系数所( 加硅脂时) 0 0 3 大连理工大学硕士学位论文 表中抗压弹性模量e 和形状系数s 按照下列公式计算： e = 5 4 g s 2 矩形支座 圆形支座 式中： s 2 丽o a l o b s ：鱼 4 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3