（机械设计及理论专业论文）桥梁盆式橡胶支座的研究与应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 桥梁支座是连接桥梁上下结构的重要构件，能将桥梁上部结构的反力 和变形( 位移和转角) 可靠地传递给桥梁下部结构。其力学性能及可靠性 对桥梁的正常承载和安全性有重要的影响。本文主要对桥梁上使用最多的 盆式橡胶支座，利用a n s y s 有限元分析软件进行了力学性能、结构参数影 响等方面的研究，主要解决了以下几个问题。 l 、橡胶的材料特性以及橡胶有限元计算方法：通过橡胶的有限元计 算结果与试验结果的对比，得到橡胶合理的计算泊松比。对三向应力作用 下橡胶的特性进行了计算、分析，得到一些有价值的结果。 2 、引入材料非线性、几何非线性、接触有限元到橡胶支座的计算中， 更准确的描述支座的结构模型，对盆式橡胶支座四种模型的计算结果与试 验结果的对比分析，得到合理的盆式橡胶支座计算模型。 3 、研究了主要设计参数：橡胶厚度、盆环厚度、盆底厚度、压转角 与压转力矩对支座性能的影响和变化规律。提出针对盆式橡胶支座主要结 构尺寸的合理选取范围，为支座的优化设计提供了参考依据。 4 、采用面向对象程序设计语言v c 及a n s y s 本身的a p d l 语言进行了 二次开发。开发的程序使支座分析、计算过程快捷、方便和直观，消除了 重复建模与分析的弊端，缩短大量的工作时间。 本文的研究内容和成果对盆式橡胶支座的设计和应用有重要的理论 意义和实用价值。 关键词：盆式橡胶支座；橡胶；非线性有限元；二次开发 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t n eb e a t i n go fb r i d g ei sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n tw h i c hi su s e dt o c o n n e c ts t r u c t u r e s n es u p e r s t r u c t u r eo fb c a 咖g sr e a c t i o na n dd i s t o r t i o n ( d i s p l a c e m e n ta n dc o r n e r ) c a nb ed e l i v e r e dt ot h el o w e rp a r to f t h es t r u c t u r eb y b e a r i n g i t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dr e l i a b i l i t yh a v ea l li m p o r t a n te f f e c to n t h en o r m a ll o a da n ds e c u r i t yo fb r i d g e t h i sa r t i c l ei sf o c u so nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fp o tr u b b e rb e a r i n gt h a th a sm u c h i m p l i c a t i o no n t h eb r i d g eb y 融s e v e r a l p r o b l e m sa r es o l v e da sf o l l o w s ： 1 r u b b e rm a t e r i a l sf e a t u r e sa n d 瞰：p o i s s o n sr a t i oo fr u b b e ri so b t a i n e d b yc o m p a r i n gt h er e s u l to ff e aa n de x p e r i m e n t s s o m ev a l u a b l er e s u l t s i so b t a i n e d t h r o u g h c o m p u t i n g a n d a n a l y z i n g r u b b e r u n d e r t r i p l e d i m e n s i o n a ls t r e s s 2 n o n - l i n e a rf m i t ee l e m e n t , n o n - l i n e a rg e o m e t r ya n dc o n t a c tf ea l e i n t r o d u c e dt ob e a r i n gc a l c u l a t i o n ，w h i c hd e s c r i b e st h es t r u c t u r em o d e lo f b e a r i n gm o r ee x p l i c i t l y n ec a l c u l a t i v em o d e lo fp o tr u b b e rb e a r i n gi s o b t a i n e db yc o m p a r e dt h ec o m p u t i n gr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t so f p o tr u b b e rb e a r i n g 3 m a i nd e s i g np a r a m e t e rw a si n t r o d u c e ds u c ha sr u b b e rt h i c k n e s s ，l i n k t h i c k n e s s ，b o t t o mt h i c k n e s s s e v e r a lp a r a m e t e rs p a no fp o tr u b b e rb e a r i n g i si n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l ea n dt h a tp r o v i d et h er e f e rp r e j u d i c ef o r t h e d e s i g no fb e a r i n g 4 n er e - d e v e l o p m e n ti sb a s e do nt h e o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g l a n g u a g e v ca n da n s y sa p d ll a n g u a g e w h a t sm o r e ，t h e p r o g r a m m i n gm a k eb e a r i n ga n a l y s i sa sw e l la sc a l c u l a t i o nm o r ee a s i e r a n dc o n v e n i e n t ，e l i m i n a t i n gr e d u n d a n tm o d e l i n ga n da n a l y s i sm a l p r a c t i c e ， a n dr e d u c i n gt h em a s s i v eo p e r a t i n gt i m e s ot h i sa r t i c l e sr e s e a r c hh a sp r o v i d e dc e r t a i na u x i l i a r ya n dt h er e f e r e n c e f u n c t i o nf o rs u p p o r t sd e s i g na n da p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：p o tr u b b e rb e a r i n g ；r u b b e r ；n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t ； r e - d e v e l o p m e n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； | 2 不保密囱，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：彩漳 日期：矽g 1 7 “ 移 钞 2 名 茧 签 矧 臌 础 老 ： 导 期 指 日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出的个人 和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 橡胶材料的超弹性分析，利用非线性有限元分析方法，建立橡胶材 料的非线性分析模型。得到了橡胶材料的泊松比选取范围，并对三向应力 下橡胶特性做了研究。 2 引入材料非线性本构关系、几何非线性接触分析模型到支座计算 中，分析结果更贴合实际。 3 对实际支座，研究了主要影响因素：橡胶厚度、盆环厚度、盆底厚 度、压转角与压转力矩对支座性能的影响和变化规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 桥梁支座概述 第1 章绪论 桥梁支座是桥梁结构的一个重要组成部分，作为主体结构( 上部结构、 下部结构、支座) 的一部分。桥梁支座在桥梁工程造价中所占比例小，不 足桥梁造价的1 ，未引起足够的重视。但支座失效，将会导致结构整体 失效，如果支座选用不当，或设计不合理，其后果将在上部结构或下部结 构中反映出来，往往是上部或下部结构先破坏。 支座的主要功能是： 1 结构的载荷通过支座集中传递给下部结构，传递桥梁上部结构传 递个下部桥墩结构的静载荷。( 受力大而集中) 2 释放弯矩，支座只传递集中力，不会将弯矩传递给下部结构。 3 必要时释放水平剪力。以免在墩底( 柱底) 产生过大弯矩。 4 地震时避免落梁落架。避免产生严重的次要的生命、财产损失。 5 由于桥梁制造、安装时会产生与设计间的误差( 标高、尺寸、角 度、平整度) ，这些误差可靠支座补偿。n 1 随着经济的发展、综合国力增强，我国的建筑材料、设备、建筑技术 都有了较快发展。计算机技术的广泛应用，为广大工程技术人员提供了方 便、快捷的计算分析手段。而我国的经济政策为公路事业发展提供多元化 的筹资渠道，保证了建设资金来源。改革开放以来，我国公路建设事业迅 猛发展，尤其是高速公路建设。作为公路建设重要组成部分的桥梁建设也 得到相应发展，跨越大江( 河) 、海峡( 湾) 的长大桥梁建设也相继修建，一 般公路和高等级公路上的中、小桥、立交桥，形式多样，工程质量不断提 高，为公路运输提供了安全、舒适的服务跚引。随着桥梁建设事业的发 展，对桥梁支座的承载能力、对支座适应位移和转角的能力的要求不断提 高，因此需要开发和研制与之相适应的各种新型桥梁支座。 从2 0 世纪6 0 年代起，国际上的桥梁支座技术有了很大的发展，在此 之前，几乎全部桥梁支座都是钢支座，随着化学工业的发展，出现了橡胶 支座及使用聚四氟乙烯板的平面滑动支座，衙式橡胶支座和板式橡胶支座 很快成为主要的桥梁支座型式嵋1 。2 0 世纪7 0 年代开始研制球形支座，并 很快在弯桥上应用。我国自1 9 6 4 年首次使用板式橡胶支座以来，在2 0 世 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 纪7 0 年代末相继研制成四氟板式橡胶支座和盆式橡胶支座，在2 0 世纪 8 0 年代末研制成球形支座。目前我国桥梁支座的加工水平已达到或接近 国际先进水平，今后应加快特种用途的支座的科学研究，以使桥梁支座更 好地适应桥梁建设的需要。 历史进入2 1 世纪，隔震技术迅速发展。出现了多种隔震支座，如铅 芯橡胶隔震支座、双曲面球型支座，不但很好的解决了桥梁作为一个传统 结构件传递集中力的作用。而且，很好的起到隔震减震的作用。摩擦摆动 隔震支座的出现，是支座发展达到了一个更高的水平，利用单摆原理，能 够使桥梁在经受很大地震时候不被地震所带来的次生灾害。避免了灾害发 生。 1 2 支座的作用与分类 1 2 1 支座的作用 支座是设置在桥梁的上部结构与墩台之间，是桥跨的支承部分，其作 用是把上部结构的各种载荷传递到墩台上，并能够适应活载、温度变化、 混凝土收缩与徐变等因素产生的变位( 位移和转角) ，使上、下部结构的实 际受力情况符合设计的结构计算图式。桥梁支座首先必须有足够的承载能 力，以保证安全可靠地传递支座反力。其次支座对梁体变形( 位移和转角) 的约束应尽可能地小，以适应梁体自由伸缩及转动的需要。最后支座应具 备便于安装、养护、维修和更换的特点嘲【7 】【8 】9 】。 1 2 2 支座的分类 桥梁支座的形式多样，其性能的优劣根据支座功能的完善程度来判 断。随着桥梁跨度及载重的不断增加和技术的进步，桥梁界业已发展出各 种形式的支座。 梁式桥的支座一般分为固定支座和活动支座。固定支座允许梁截面自 由转动而不能移动，活动支座允许梁在挠曲和伸缩时转动与移动。针对桥 梁跨径、支座反力、允许转动和位移不同，支座选用的材料不同，支座是 否满足防震、减震要求不同，支座具有许多相应的类型。随着桥梁结构体 系的发展，支座的类型也相应得以更新换代。从传统意义上来说，支座可 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 分别按变形的可能性、按所用材料或结构型式来进行分类。如按所用材料 可分为简易支座、钢支座、钢筋混凝土支座、橡胶支座以及特种( 如减振 支座、拉力支座等) 支座等。按支座的结构型式通常可分为弧形支座、摇 轴支座、辊轴支座、板式橡胶支座、四氟板式橡胶支座、盆式橡胶支座、 球形支座和双曲面支座等。 1 ) 简易支座 简易支座( 图1 - 1 ) 是指在梁底和墩台顶面之间设置垫层来支承上部结 构。垫层可用油毛毡、石棉板或铅板做成，利用这些材料比较柔软又具有 图卜1 简易支座 一定强度的特性来适应梁端比较微小的转动与伸缩变形的要求并受 支点荷载。简易支座仅适应于跨度l o m 以下的公路桥和4 m 以下的铁路板 桥。由于这种支座自由伸缩性差，为避免主梁端部和墩台混凝土拉裂，宜 在支座部位的梁端和墩台项面布设钢筋网加强。 2 ) 钢支座 钢支座( 图1 - 2 ) 是靠钢部件的滚动、摇动和滑动来完成支座的位移和 转动的。特点是承载能力强，能适应桥梁的位移和转动的需要。2 0 世纪 6 0 年代以前钢支座普遍运用于我国公路、铁路和桥梁上，目前仍广泛应 用于铁路桥梁。钢支座常用的有铸钢支座和特种钢支座。由于铸钢支座构 造复杂，用钢量大，而且若有污垢，就转动不灵，因此目前已很少使用， 取而代之的是其它类型的支座，如橡胶支座。 3 ) 橡胶支座 随着合成橡胶和塑料工业的发展，工程橡胶及塑料也在桥梁支座上得 到应用。橡胶支座结构简单、加工方便、节省钢材、结构高度小、安装方 便等一系列优点。此外，橡胶支座能方便地适应任意方向的变形，对于宽 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 桥、曲线桥和斜桥具有特别的适应性。橡胶的弹性还能消减上、下部结构 所受的动力作用，对于抗震十分有利。 板式橡胶支座是2 0 世纪6 0 年代以后发展起来的一种桥梁支座形式， 具有结构简单、加工制造容易、用钢量少、成本低廉、安装方便等优点。 目前在国内外桥梁上得到了广泛应用。 由我国交通部发布的行业标准公路桥梁板式橡胶支座j t t 4 2 2 0 0 4 已于2 0 0 4 年6 月1 日起开始实施。按交通部的新标准，板式橡胶支座结 构形式分为： 普通板式橡胶支座，有矩形普通板式橡胶支座和圆形普通板式橡胶支 座。 四氟板式橡胶支座，有矩形四氟板式橡胶支座和圆形四氟板式橡胶支 座。 图卜2 钢支座 1 基层钢2 硬钢层3 不绣钢 图卜3 板式橡胶支座 桥梁板式橡胶支座( 图卜3 ) 由多层橡胶片与薄钢板硫化、粘合而成， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 它有足够的竖向刚度，能将上部构造的反力可靠的传递给墩台，有良好的 弹性，以适应梁端的转动；又有较大的剪切变形能力，以满足上部构造的 水平位移。普通支座的构造较为简单，从外形上看，它就是放置在桥梁上 下部结构之间的加筋橡胶板。为了提高支座的抗压强度及其刚度，支座内 部一般设有几层薄钢板，利用橡胶板的不均匀性压缩，可以实现桥梁上部 结构的转角，利用其剪切变形，可以满足水平位移。如果在支座的上面贴 一层聚四氟乙烯板( 同时在梁底支点设置不锈钢板) ，就构成了四氟滑板支 座。在不增加支座高度的情况下，四氟滑板支座能满足桥梁较大位移的要 求。 板式橡胶支座广泛应用于市政和公路简支梁上，普通板式橡胶支座适 用于跨度小于3 0 m ，位移量较小的桥梁：正交桥梁用矩形支座：曲线桥、斜 交桥及圆柱墩桥用圆形支座。四氟板式橡胶支座适用于大跨度、多跨连续、 简支梁连续板等结构的大位移量桥梁。它还可用作连续梁顶推及t 型梁横 移中的滑块。矩形、圆形四氟板式橡胶支座的应用分别与矩形、圆形普通 板式橡胶支座相同。板式橡胶支座在列车活载作用下产生压缩变形，相对 于盆式橡胶支座，具有减振降噪的作用。板式橡胶支座结构上须加装上、 下钢盖板和横向限位装置，其造价比盆式橡胶支座稍低。 板式橡胶支座不仅技术性能优良，还具有构造简单，价格低廉，无需 养护，易于更换，缓冲隔震，建筑高度低等优点。因而，在桥梁界颇受欢 迎，被广泛应用。但由于在受力性能方面，因橡胶的纵向剪切刚度较小， 致使桥梁下部结构的综合刚度较低，在制动力作用下钢轨的附加应力较大， 因此对板式橡胶支座一般仅在简支梁下采用，而对轨道交通高架桥连续梁 中的使用应持谨慎态度。 4 ) 盆式橡胶支座 盆式橡胶支座是在板式橡胶支座的基础上进一步改进后更为完善的 一种橡胶支座。 盆式橡胶支座( 图1 - 4 ) 的工作原理是利用半封闭钢制盆腔内的弹性橡 胶块，在三向受力状态下具有流体的性质，来实现上部结构的转动；同时 依靠中间钢板上的聚四氟乙烯板与上座板上的不锈钢板之间的低磨擦系 数来实现上部结构的水平位移。从实验的数据来看，橡胶处于三向约束状 态时的抗压弹性模量比无侧向约束的抗压弹性模量增大近2 0 倍，因而支 座承载能力大大提高，解决了普通橡胶支座承载能力的局限。盆式橡胶支 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 座具有很大的承载能力，水平位移量大，摩擦系数小，转角大，支座建筑 高度低，节省钢材。“”2 1 盆式橡胶支座在铁路及公路桥上得到了广泛应用。 1 下支座板2 承压橡胶扳3 黄铜紧同圈4 密封圈i5 中间钢 衬板6 上支座板7 中问滑板8 密封圈i i9 聚四氟乙烯板 图卜4 盆式橡胶支座 5 ) 球型支座 球型支座( 图卜5 ) 是在盆式橡胶支座的基础上发展起来的一种新型桥 梁支座。由凹球板、球冠板、平面及球面聚四氟乙烯板及不锈钢滑扳等组 成通过球冠板在球面聚四氟乙烯板上滑动来满足桥梁大转角的要求( 0 = o ，0 2 、00 4 、0 0 6 r a d ) ，适应桥梁多向转动，允许水甲位移量大，性能 优越。目前球型支座已在国内城市立交桥及公路上广泛应用。 球m 聚氟已烯扳胯扳 制衬扳 。 f 支膻桎i | 芏i 卜5 球型支庠 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 通过设置的球面摩擦付，可使支座灵活转动，在克服球冠钢板与球面 聚四氟乙烯板的滑动摩擦后，支座即发生转动，其转动力矩的大小与转角 无关，因此适应多向大转角的桥梁。主要用于公、铁路及市政桥梁，特别 适用跨度大、宽度大的桥梁及曲线桥、城市互通式立交桥。 球型支座传力可靠，转动灵活，它既具备盆式橡胶支座承载能力大、 位移大等特点，而且能更好地适应支座大转角的需要，与盆式支座相比具 有下列特点： 球型支座通过球面传力、不出现力的缩颈现象，作用在混凝土上 的反力比较均匀； 球型支座通过球面四氟板的滑动来实现支座的转动过程，转动力 矩小，而且转动力矩只与支座球面半径及四氟磨擦系数有关，与 支座转角大小无关。因此特别适用于大转角的要求，设计转角可 达o 0 5 r a d 以上； 支座各向转动性能一致，适用于宽桥、曲线桥、坡道桥、斜桥及 大跨径桥梁； 支座不用橡胶承压、不存在橡胶老化对支座转动性能影响，特别 适用于低温地区。3 1 1 1 矧 1 3 支座的设计特点 在进行桥梁支座的设计时，首先必须求得每个支座上所承受的竖向力 和水平力以及需适应的位移和转角。然后根据他们进行设计并进行强度、 稳定等各项验算h 埔1 。 1 3 1 受力分析 作用于支座上的竖向力有结构自重的反力、活载的支点反力及其影响 力。在计算活载的支点反力时，要按照最不利的位置加载，并计入冲击效 应。当支座可能会出现上拔力( 负反力) 时，应分别计算支座的最大竖向力 和最大上拔力。作用于支座上的水平压力，包括由列车或汽车荷载的制动 力( 或牵引力) 、风力、支座摩阻力或温度变化、支座变形所引起的水平力 以及其它原因如桥梁纵坡产生的水平力。列车或汽车的制动力( 或牵引力) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 应分别按照铁路桥规 公路桥规的要求确定，制动力( 或牵引力) 在各支座上的分配亦按各自规范进行计算。位于地震区的桥梁支座的设计 计算，应根据设计的地震烈度，按铁路或公路抗震设计规范的规定进行。 1 3 2 位移分析 支座的水平位移包括纵向位移和横向位移。支座纵向位移有温度伸缩 位移、混凝土收缩徐变位移、活载作用下梁体下翼缘伸长、下部结构的位 移等；支座横向位移有温度、混凝土收缩徐变位移、下部结构的横向位移、 斜桥和弯桥荷载引横向变位等。支座沿纵向的转角有结构自重和活载产生 的梁端转角、因下部结构变位产生的梁端转角等。把以上各项支座反力和 变位产生的计算结果按桥规的规定进行组合，就为支座的设计提供了计算 数据，由此可进行支座的设计计算。 1 3 3 强度刚度校核 桥梁是确保公路、铁路畅通的咽喉，其承载力更是沟通全线的关键。 在桥梁的使用工程中，随着载荷的营运、各种病害的侵蚀，其承载力将会 削减，而支座既是桥梁的支承，又要同时承受多种组合载荷，包括竖向载 荷、水平载荷、冲击载荷等，因此需对支座进行及时评定，要求支座应具 有足够的强度、满足其抗疲劳、耐磨、承受载荷和环境温度变化以及防腐 蚀的耐久性等性能的要求，保证桥梁在日益增长的交通量营运下能安全营 运驯。 所谓强度是指物体在载荷作用下抵抗破坏的能力n7 1 。支座的强度是指 支座承受载荷的能力，在支座的计算中，可以看作是支座承受竖向载荷和 水平载荷的能力。 所谓刚度是指构件在外力作用下抵抗变形的能力n7 1 。支座的刚度是指 支座的竖向变形和水平变形的能力，支座的刚度可以用支座的变形量来考 虑。在实际应用中，可以对支座通过有限元分析和相关的强度刚度试验研 究进行强度刚度校核。 1 3 4 稳定性校核 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 随着桥梁建设的高速发展，支座的稳定性也成为越来越受关注的问 题。对于桥梁，由于支持部件( 支座) 的损坏，影响到桥梁的继续使用寿命， 因此必须对桥梁承载力和稳定性进行分析，确保桥梁使用的安全性。 所谓稳定性是指构件保持其原有平衡形态的能力订1 。稳定也意味着在 所有作用下的平衡，而支座总是设计为竖向平衡，现代桥梁支座承受着很 大的水平荷载，因此需要密切注意其稳定问题瞄1 。对于支座其稳定性是指 支座所能承受的水平位移量和竖向压力的极限值。有关的理论分析与计算 表明，支座的稳定性与支座形状参数、橡胶物理性能、支座水平变位和竖 向荷载等多个因素有关，且在不同参数取值范围内有很大变化，所以对不 同的支座，为保证其稳定性，适宜采用不同的水平变位和竖向压力的限值。 同样，对支座可以通过有限元分析和相关的试验研究进行稳定性校核。 1 4 本论文的主要研究内容及目的意义 1 4 1 本论文主要研究内容 本论文主要研究内容如下： 1 橡胶体有限元分析研究。 2 材料非线性、接触非线性、大变形有限元分析研究。 3 盆式橡胶支座有限元计算模型研究。 4 橡胶体厚度、盆底厚度、盆环厚度影响研究和应用。 5 盆式橡胶支座在转动力矩作用下特性研究。 6 a n s y s 二次开发。 1 4 2 本论文研究的目的及意义 本文研究的目的及意义可以归结如下： 1 技术方面：找出影响支座强度、变形的规律，提出优化设计支座 的方法，减少设计工作量，提高产品质量，提高设计效率。 2 经济方面：达到设计和使用要求的可靠性，避免设计冗余，减低 试验费用，优化结构，提高效益的目的。 3 安全方面：找到较好的评估方法，提高支座使用的安全性，减少 或避免事故发生。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章盆式支座中橡胶特性研究 2 1 概述 橡胶是一种超弹性体。弹性体是一个分子量较大的流体，弹性较差， 强度较低。尽管分子是缠结的，但在应力作用下会解开缠结，从而导致粘 性流动。因此，工业上用硫化或交联形成分子网状结构。硫化或交联后， 粘流体转变为韧性体，其强度和模量均增强，永久变形和滞后减小。在橡 胶中加入适当的填料可以使强度提高1 0 倍以上，例如碳黑。除此之外， 其力学特性与时间及温度有关，即呈现出蠕变、松弛、老化等现象。为了 防止橡胶臭氧老化和氧化，在加工配合阶段可加入抗降解剂；加工助剂可 以降低粘度；增容剂加入可以降低成本，但是会使物理性能下降，要限制 用量；增粘剂加入可以改善橡胶与其它材料的粘合效果。 蚰】。【4 弹性体是无定形固体，而且各向同性( 性质不依赖于方向) 。各向同 性材料的应变形式有3 种：拉伸、剪切和均匀压缩。这几种弹性行为可用 如下系数表示：杨氏模量e ( 拉伸) 、剪切模量u ( 剪切) 、体积模量k ( 压缩) 和泊松比v 。泊松比v 对于不可压缩弹性体来说v = o 5 ( 钢的v 值接近于0 3 ) ，而在实际的工程中，不存在完全不可压缩的材料，而是 接近不可压缩，即泊松比v 为0 4 9 9 。各向同性不可压缩的材料，其e = 3 g 。 橡胶的特点是柔软、高延展性和高的弹性。橡胶的弹性与金属相比不 同，若将金属棒和橡胶棒分别用力拉伸，橡胶的最大伸长通常5 0 0 1 0 0 0 之间，除在小变形区域外，其余区域没有固定杨氏模量，小变形下的杨氏 模量约为1 o m p a 左右。这种低模量、高延伸特点与金属相反，钢的杨氏 模量约为2 0 1 0 5 m p a ，而弹性变形为1 或更小。橡胶的热膨胀系数约为 4 8x 1 0 - 4 k ，与液态烃相似。加入填料可以使此值略微减小，它与钢的 膨胀系数( 3 5 1 0 5 k ) 相比，相差一个数量级，因此橡胶一金属结合或 复合结构的内置界面会产生形变。 橡胶材料所具有的特性可概括为：“钉1 删 1 橡胶的不可压缩性。在复杂的应力状态下，各个方向产生明显的 变形，但其总体积是不变的。利用这一特性，如果对其变形加以限制，不 仅能承受巨大载荷，还能充分发挥良好弹性的优点，这是橡胶能成为支座 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 的基础。 2 由超弹性引起的双重非线性即材料非线性( 如果结构经受大变形， 它变化的几何形状可能会引起结构的非线性响应) 和几何非线性( 具有非 线性的应力一应变关系) 。 总之，与金属粘合的防振橡胶支座是一种非金属弹簧，和广泛的金属 弹簧相比有以下特征： 三向弹簧常数适当选择防振橡胶的形状尺寸，可以使三个方向( 垂向、 横向、纵向) 的弹簧常数达到所希望的数值。通常金属弹簧只能利用1 个 方向的弹性作用，而利用三个方向的作用是防振橡胶的一大特点。其原是 因为橡胶和金属( 粘结板) 容易实现牢固的粘结，并在拉伸、压缩、剪切 各个方向都能变形。 防振硫化橡胶的内摩擦比金属弹簧大1 0 0 0 倍以上。为了降低谐振时 的振幅，并使由冲击产生的自由衰减振动尽快停止，弹簧需要具备衰减作 用。为此，金属弹簧也采用一些改进措施，如使用叠板弹簧或螺旋弹簧与 液压减振器并联等，但这些只对低频振动有效。而橡胶是通过内摩擦起衰 减作用的即橡胶的内摩擦是由橡胶分子和分子之间以及橡胶分子和填充 剂之间的相互作用产生的，特别适用于高频振动。 廉价防振橡胶是用金属模制成的模制品，成批生产时单价低廉。 盆式橡胶支座中橡胶处于三向约束状态，因此橡胶能够承受很大的压 力。利用a n s y s 有限元软件来计算它的力学性能，并与试验结果进行比较， 进而得出可靠的计算盆式橡胶支座中橡胶有限元计算参数。因此，本章主 要解决以下几个问题： 1 ) a n s y s 中橡胶材料模型及其材料参数选取。 2 ) 橡胶轴对称模型与实体模型计算结果分析。 3 ) 泊松比的大小对橡胶计算的影。 2 2 橡胶材料的力学特性 橡胶材料有以下几个特点： 1 橡胶材料具有良好的弹性，但其体积几乎是不可压缩的。在一定 压力下可以把橡胶材料近似地视作线性弹性体，由此根据虎克定律有 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 p 丢k y 帆+ 呸】 ，一 o , - v ( a x 鸲】( 2 - i ) p 扣叫c r y + q 】 式中 f ，、号，、占：一一x 、y 、z 方向的正应变： q 、q 、呸一x 、y 、z 方向的正应力； e 一一材料的弹性模量； v 一材料的泊松比。 材料的体积应变( 或称体积膨胀) e 为 ( a x + e , a x x a y + e , d y ) ( a z + e z d z ) - d x d y d z c 王一 出。咖出 一( 1 + q ) ( 1 + e y ) ( 1 + e z ) 一1 一e ，+ ，+ 巳+ 巳e _ y + 巳：+ y ：+ 。，： 略去高阶微e 一，+ ，+ e ： ( 2 2 ) 引入记号e 一吒+ 仃，+ 口： ( 2 3 ) 式中e 体积应力。 把式( 2 - i ) 中三式相加得： e ，i - 2 _ _ _ _ 2 _ o0 e ( 2 4 ) ( 2 4 ) 式表明体积应变和体积应力成正比，比例常数_ 冬为体积 i 一厶l ， 、模量。实测橡胶的泊松比接近0 5 ，因而e o ，这表明橡胶材料的体积几 乎是不可压缩的。 2 橡胶的弹性模量( e ，g ) 与橡胶的硬度、温度有关。 试验表明，形状系数相同的橡胶，其抗压弹性模量e 值随着橡胶硬度 的增加而增加。橡胶的剪切模量g 也随着橡胶硬度的增加而增大。橡胶的 硬度随着温度的降低而增大h 1 。 2 3 钢盆中橡胶的抗压性能 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 钢盆中橡胶主要用于传递梁端反力和转角，要求它具有承压可靠、弹 性压缩小、转动反力矩小。 2 3 1 钢盆中橡胶力学性能 由于盆式橡胶支座中橡胶始终处于三向应力状态，而体积的不可压缩 性决定了其整体抗压弹性模量随着载荷的增加而增加的特征。试验表明盆 式橡胶支座中橡胶的抗压弹性模量比纯橡胶有显著的增加。有的可以达到 4 g m p a ，比没有约束下的橡胶抗压模量增加3 0 多倍，而且在使用应力 。2 5 m p a 之下的压缩变形仅为1 一2 。帕 2 3 2 有限元分析一超弹性理论 1 ) 超弹性材料。超弹性材料存在一个弹性势函数，该函数是一个应 变或变形张量的标量函数，而该标量函数对应变分量的导数就是相应的应 力分量 b 】- 齑 5 ) 式中w 为应变能密度函数， p j 为第波奥拉一克希霍夫应力张量， e 为拉格朗日应变 陋】= 去 】一，) ( 2 - 6 ) 式中k j 为柯西一格林应变张量。 m o o n e y - r i v l i n ( m r ) 应变能密度函数( 材料各向同性) w - 口l o ( ，1 3 ) + a o l ( 1 2 3 ) ( 2 7 ) 式中i i 、，z 为应变不变量， 口1 0 、口0 1 为材料常数。 2 ) 材料的不可压缩行，泊松比接近0 5 。在a n s y s 程序中，不可压 缩超弹性单元修改了应变能密度函数，在单元中明确地包含了压力自由 度，它是一个内部自由度，被凝聚在单元内部。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 ) 超弹性单元。这种单元有两类：l 、适应于不可压缩材料；2 、适 合于可压缩材料。每一类都有多种单元类型可供使用。不可压缩单元： h y p e 5 6 、5 8 、7 4 和1 5 8 ，使用于模拟橡胶材料。可压缩单元：h y p e 8 4 和 8 6 ，h y p e 8 4 既可以是4 节点方形单元，也可以是8 节点方形单元，主要 用来模拟泡沫材料。壳单元1 8 1 由于消除了体积锁定而有没有引入额外的 自由度，因此既可适用于不可压缩材料，又适应于可压缩材料汹儿2 力嘲。 4 ) a n s y s 中的超弹性材料选项有两种：m o o n e y - r i v li n ( 不可压缩橡 胶类材料) ；b l a t e k o ( 可压缩的泡沫材料) 。本次计算选用m o o n e y - r i v li n 材料，其选项可使用2 个、5 个或9 个常数来描述材料特性，这些常数一 般均不易查到，必须用* m o o n e y 命令从一组已知的试验数据中确定。要生 成通常可用的材料模式，要使用3 中测试：单轴拉伸( 或等效的等双轴 压缩) ；等双轴拉伸( 或等效的单轴压缩) ；剪切( 平面拉伸或压缩) 。 r 2 4 1 s t r e o l 2 4 钢盆中橡胶非线性有限元分析 钢盆中橡胶的形状是一个圆柱，其1 2 剖视图为矩形。尺寸根据支座 反力变化而变化，它的上表面、下表面和侧面分别与上支座板、下支座版 和盆环接触。本次分析采用直径d = 4 0 0 h m ，高度为h 一4 0 r a m 的圆柱作 为基本模型，后续的研究将对不同的驯h 做系列研究。橡胶的本构关系 采用m o o n e y - r i v l i n 模型，其参数的生成采用试验所得的数据作为依据。 支座设计反力为3 m n 。 2 4 1 橡胶的非线性有限元分析 1 ) 有限元模型 钢盆中橡胶承压应力状态下，可以利用轴对称有限元进行分析。取橡 胶的1 1 2 横截面作为分析模型( 图2 - i ) ，橡胶与钢盆接触的地方和橡胶 与盆环接触部位采用刚性约束模拟橡胶受到钢盆与盆环的约束。a n s y s 中 用于分析橡胶材料的单元有超弹性实体单元h y p e r x 和结构实体单元 s o l i d l 8 x ，适合于模拟轴对称分析的单元有h y p e r 5 6 、8 4 和s o l i d l 8 3 、 1 8 3 单元所有这些单元都可采用以位移为未知变量的有限元格式模拟橡胶 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 材料的近似不可压缩特性，而s o li d l 8 x 单元又可以采用位移压力混合有 限元格式模拟完全不可压缩的橡胶材料。 k 图2 - 1 橡胶块有限元模型 下底面约束为竖向约束，左侧面施加对称约束，右面约束x 方向位移。 在上边施加均布载荷。 2 ) 有限元计算和试验结果分析 本文采用不同的单元类型对其进行了模拟，分别采用p l a n l 8 2 、1 8 3 和s o l i d l 8 5 、1 8 6 单元。橡胶体直径为4 0 0 m l n ，高度为4 0 m ，泊松比取 0 4 9 9 8 。计算机计算结果和试验结果3 由表2 - 1 所示。 表2 - 1 不同单元橡胶体计算结果 竖向变形( f f l l l l ) 弹性压缩( ) 试验结果0 3 8 8o 9 7 p l a n l 8 20 3 8 40 9 6 1 p l a n l 8 30 3 8 40 9 6 1 s o li d l 8 50 3 8 40 9 6 1 分析过程中，采用了不同的单元来模拟橡胶体，施加载荷与试验时所 加载荷相同。根据表中结果可以得出结论： 采用轴对称模型与实体模型所计算的结果完全一致。因此，在计算盆 式橡胶支座中橡胶在承受静载荷情况下可以用轴对称模型来分析。 利用a n s y s 软件计算出来的结果和试验结果符合较好。因此，用计算 机模拟计算橡胶体的特性能达到很好的效果。 3 ) 不同橡胶厚度橡胶特性 为更好的的研究橡胶体厚度在同一载荷( 3 m ) 下的变形情况，有限元 分析软件a n s y s ，针对相同载荷针、对不同厚度，求出了橡胶体在竖向的 变形。结果见表2 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 表2 - 2 不同厚度橡胶体竖向变形表 d h1 0l l1 2 1 31 41 51 61 71 81 9 2 0 变形 0 3 8 4o 3 4 90 3 2 10 2 9 60 2 7 50 2 5 60 2 4 00 2 2 60 2 1 40 2 0 20 1 9 2 ( m 皿) 莒 蓬 杈 群 督 曩 n 4 0 3 s o 2 o 1 5 d ，h 图2 - 2 同载荷不同d h 橡胶块变形图 图2 2 是根据表2 2 生成的曲线图，可以看出：橡胶块的竖向变形随 着其厚度的减小而减小，橡胶厚度减少一半，其变形也减小半。整体变化 呈非线性关系。 4 ) 橡胶块应力与竖向应变 分析模型选用直径4 0 0 r m ，厚度为4 0 m m 的模型。应力大小计算 1 m p a - 2 5 m p a ，以研究不同载荷情况下橡胶的变形情况。表2 - 3 为分析结果。 表2 - 3 不同载荷橡胶体竖向变形 仃( m p a ) 12345 6 7 ( h i m ) 0 0 1 5o 0 3 10 0 4 60 0 6 10 0 7 70 0 9 20 1 0 8 仃( m p a ) 891 01 11 2 1 31 4 s ( i l u n ) 0 1 2 30 1 3 80 1 5 40 1 6 90 1 8 40 1 9 90 2 1 5 仃( m p a ) 1 51 6 1 7 1 8 1 9 2 02 1 ( i l l m ) 0 2 3 10 2 4 6o 2 6 10 2 7 70 2 9 20 3 0 70 3 2 3 ( m p a ) 2 22 32 42 5 e ( n l m ) 0 3 3 80 3 5 40 3 6 90 3 8 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 可见，橡胶块的应力与竖向应变呈线性关系。这和实验室所试验结果 略有不同，实验室所测结果为：在应力小于5 m p a 情况下，橡胶的应力应 变关系呈非线性关系，在大于5 m p a 的情况下，橡胶体的应力应变呈线性 关系。原因是试验本身造成的：支座在生产时，橡胶块与钢盆没有充分接 触；试验加载；结果读取误差。 2 4 2 泊松比对橡胶体的影晌 有超弹性理论可以推出，橡胶的泊松比接近0 5 时，其体积模量将会 无限增大。在各类文献中还没有确切的对于计算橡胶的泊松比的定论。 泊松比t ，的大小对橡胶整体变形的影响：橡胶为近似不可压缩材料， 在模拟计算橡胶抗压特性时不同的泊松比对其影响很大，表2 - 4 为泊松比 对应的橡胶的竖向变形表： 计算模型：橡胶块直径妒t 4 0 0 r a m ，橡胶块厚度h = 4 0 ，l 所，载荷 fi3 m no 试验变形为：0 3 8 m m 。 表2 4 不同泊松比橡胶体变形表 秒o 4 90 4 9 50 4 9 90 4 9 9 10 4 9 9 20 4 9 9 3 ( 姗) 1 7 0 9 69 1 7 9i 8 9 41 7 0 61 5 1 7i 3 2 8 t ，0 4 9 9 40 4 9 9 50 4 9 9 60 4 9 9 7 0 4 9 9 80 4 9 9 9 ( 硼) 1 1 3 90 9 5 00 7 6 00 5 7 00 3 8 1 0 1 9 0 1 图2 3 泊松比与橡胶块竖向变形关系图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 从表2 - 4 与图2 - 3 可以看出：与试验结果比较接近的泊松比为0 4 9 9 8 。 由表中所列趋势可以看出要想计算出正确的结果，所选泊松比在0 4 9 9 8 与0 4 9 9 9 之间。 泊松比小于0 4 9 9 时，橡胶的变形明显增大，和实验室所测试验结果 不同。泊松比过大时变形又太小，和真实情况相差太大。因此在做橡胶件 的有限元分析时，泊松比对计算结果影响很大。 图中所示可以看出，二者变化呈非线性关系。在0 4 9 9 时出现拐点， 有很大的变化，在大于0 4 9 9 小于0 5 的区域内近似呈线性关系，在小于 0 4 9 9 的时候也近似呈线性关系。 2 5 总结 橡胶材料在工程应用中十分广泛，由于其力学性能的特殊性，在工程 应用中完全掌握它的特性非常不易。本章节论述了橡胶材料应用在盆式支 座中的情况，根据有限元分析以及与试验结果的比较可以得出以下结论。 1 橡胶材料在三向受压时抗压性能急剧增大，可以达到原来的3 0 多 倍。 2 同载荷橡胶块的竖向变形随着橡胶厚度的减小而减小，关系为非 线性。 3 橡胶的变形随着泊松比的增大而减小。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 第3 章盆式橡胶支座的结构分析 3 1 概述 盆式橡胶支座是国外2 0 世纪5 0 年代末开发的一种新型桥梁支座。它 是用设置在钢盆中的橡胶板承压和转动，用聚四氟乙烯板和不锈钢板之间 的平面滑动来适应桥梁的位移要求。该支座是1 9 5 9 年由西德研制成功， 并于1 9 6 2 年在德国的w i e s b a d e n _ - s c h i e r s t e i n 之间跨莱茵河的高速公 路b 4 2 号桥上使用，至今运营良好。目前德、英、西班牙等国均有专门厂 家生产盆式橡胶支座，支座设计反力从1 5 0 删。目