减震榫减震性能试验研究.pdf

2 8 低温建筑技术 2 0 1 0年第 l0期 总第 1 4 8 期 减震 榫减 震性能试验研究 陈浩 高 日 李承根 冯刚宪 1 北京交通大学土木建筑工程学院 北京1 0 0 0 4 4 2 铁道第一勘察设计院集 团有限公司 西安7 1 0 0 4 8 3 中国船舶重 工集团公 司第七二五研究所 河南洛阳4 7 1 0 3 9 J 摘要 结合高速铁路桥梁抗震设计的需要 针对支座功能分离的设计理念 通过试验对减震榫在低周反 复荷载作用下的滞回和耗能等性能进行了研究 试验结果表明 减震榫在低周反复荷载作用下有很好的延性和耗 能能力 在线弹性阶段有较大的刚度 符合铁路桥梁对减震榫的要求 关键词 高速铁路桥梁 减震设计 支座功能分离 中图分类号 T U 3 5 2 1 文献标识码 A I 文章编号 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 0 1 0 0 0 2 8 0 3 S TU DY oN 唧S HoCK ABS oRBI NG PERF oRM ANCE S T 0l F ABS oRBER CHEN Ha o GAO Ri LI Ch e n g g e n FENG Ga n g x ia n 1 S ch o o l o f C i v il E n g in e e rin g B e ij in g J i a o t o n g U n iv B e i j in g 1 0 0 4 4 C h in a 2 C h i n a R a il w a y F ir s t S u r v e y a n d D e s ig n I n s t it u t e G r o u p C o L t d Xi a l l 7 1 0 0 4 3 C h in a 3 R e s e a r ch I n s t it u t e o f 7 2 5 C h i n a S h ip b u lid in g I n d u s t r y C o r p o r a t io n H e n a n L u o y a n g 4 7 1 0 3 9 C h i n a Ab s t r a ct Acco r d in g t o t h e d e ma n d o f b r id g e s e is mic d e s i gn in h ig h s p e e d r a ilw a y a n d t h e id e a o f b e a ti n g f u n cti o n s e p a r a t i o n t h is r e p o r t p r e s e n t s s o me a p p r o p r ia t e r e s u lt s o f t h e h y s t e r e t ic b e h a v io r a n d e ne r g y d is s i pa t io n ca p a ci t y o f a b s o r be r un d e r the lo w cy cle lo a d in g e x p e r ime n t An d it s h o ws tha t the d u ct ilit y a n d e n e r g y d is s i p a t i o n ca p a cit y o f a b s o r b e r p e r f o r ma ce w e ll a t lo w cy cle lo a d in g a n d the s tiff h e s s in lin e a r e l a s t i c ph a s e is imp r o v e d wh ich me e t s t h e r e q u ir e me n t o f t he r a i lwa y b ri d g e d e s i g n Ke y wo r ds h ig h s p e e d r a il wa y b ri d g e s e is mic d e s i gn b e a ri n g f u n ct i o n s e pa r a t i o n 1 减震榫设计理念 该设计理念是将桥梁固定支座改为活动支座 在 基金项 目 国家 8 6 3计划项 目子课题 2 0 0 8 A A 0 3 0 7 0 7 正常使用状态下 梁体传来的竖向反力及梁端的转角 仍由支座实现 但梁体的水平反力及水平位移则 由减 小 计算精度难 以满足 反之 单元总数量过多 计算 耗 时长 难以收敛 所以要选取一个合适的网格尺度 同 时要注意最大单元与最小单元之 间的差距不能太大 2 如 没考虑 型钢 与混 凝 土 钢 筋 与混凝 土之 间 的粘 结滑移 则应该 采用共用 节点 来 实现位移 协 调 如果为避免加载时 出现应力 集 中 造 成局部受 压 破坏 可在加载点处设置钢 垫板 也通过共 用节点 使 钢垫块 节点与相应 的混凝土节点位移 协调 6结语 1 钢骨超高强混凝土数值模拟可以辅助试 验 在试验进行之前 通过模拟 了解到可能发生破 坏 情况及部位 如果试验控 制参数很 多 会 花费很 多人 力物力 如果采用数值模拟 对某些参数控制情况下计 算 与试验值 内插 更加经济 2 在模拟时需要注意正确设置参数 合理划 分网格 正确建立模型以及选取适当的收敛准则和加 载步 可以得到很好的模拟结果 参考文献 1 过镇海 钢筋混凝土原理和分析 M 北京 清华大学出版社 2 0 0 3 2 江见鲸 陆新征 叶列平 混凝土结构有 限元分析 M 北京 清华大学 出版社 2 0 0 5 3 江见鲸 何放龙 何益斌 陆新征 有限元法及其应用 M 北 京 机械 工业 出版社 2 0 0 6 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 0 6 作者简介 郭宇 1 9 8 4一 女 哈尔滨 人 硕士研究生 从 事钢骨超高强混凝土抗震性能模拟和试验研究 陈浩等 减震榫减 震性 能试验研究 震榫支撑 和控 制 地震 发生后 梁体地 震水平 力 将通 过减震榫传至桥墩 通过对减震榫结构的精细化 设计 在正常运营下满足列车对桥梁刚度的使用要求 在强震下有足够 的延 性 以达到减小地震力的 目的 支座功能分离 的减震设计方法相对于传统的抗 震设计方法有了本质的变化 传统的结构抗震设计方 法都是使结构具有足够的刚度和强度 以达到抗震设 防 目标 这种 以强制强 的设计方 法 不但增 大 了 结构的地震反应 而且还将付出沉重的经济代价 支座功能分离的减震设计方法通过对支座体系水平 和竖向功能的分离 具有传力路径明确 各部件功能单 一 横向和竖向变形不耦联 易于精细化设计和控制的 特点 从而实 现减震 目的 2减震榫的结构形 式 将减震 榫下端锚 固于桥墩 顶帽上 上端伸 入梁 体 底面一个预埋 的钢盒 中 用橡胶 或沥青 砂胶填 塞 减震 榫与钢盒之间的缝隙 使其与梁体实现理想的铰接传 力 同时 将 固定支 座 改为 活动支座 于是实 现 了支 座功能的分离 在正常使用状态下 梁体传来的竖向反 力及梁端 的转 角位 移仍 由支 座实现 但梁 体 的水平 力 及水平位移则 由减 震 榫承受 地 震发 生后 梁 体地 震 水平力将通过减震榫传至桥墩 不再像以前传统 的设 计 地震水平力通过支座和支座锚螺栓传给桥墩 只有 在强烈地震发生时 支 座锚 螺栓被剪断 梁体移 动触及 减震榫后 减震榫才起 到限位和防落梁 的作用 显然 如果减震榫能够提供 较大 的水平 塑性变形 就 可 以起 到 良好的减震效果 由图 1可以看到 就 受力行 为而 言减震 榫是 典型 的悬 臂梁结 构 当上端作 用水平 力 P时 构 件 的沿程 弯矩分布为三角形 根部最大弯矩 M P h 式中 为减震榫根部弯矩 P为减震榫端部作用水平力 为 减震榫 高度 图1 减震榫模型及受力 3 减震榫试验研 究 3 1 试验模 型 本 试验为减震榫 的拟静力 试验 减 震榫 中部段 采 用 数控 机床加工 材料为高性能钢 该试验对两个参数 相同的试件进行加载 本次试验是在北京交 通 大学结 构试 验室进 行 的 试验 加载全过程 由 MT S液压伺服 系统控制 水 平推拉 力采 用液压作动器施加 3 2 试验加载制度 对 试件 1采用 先 荷载 控制 后 位 移控 制 的加 载方 法 荷载从 3 0 k N开 始加 载 然 后卸 载至 0 k N 再反 向 加载 至 3 0 k N 再卸载至 0 k N 这样完 成一个 周期 再加 载一个周期 然后继续加载 至 1 5 0 k N 每级 荷载都加载 两个周期 接着开 始进行 位 移反 复加 载 从 2 0 ra m开 始加载 加载至 6 0 m m 每级位 移加载 一个周期 加 载 方案 1 如图 2所示 荷载控制 k N 从 觚 l 6 0 位 移 控 制 m m 穗 5 l yy y删y l V I 一 D 一 一120 图2 加载方案 1 对试件 2采用位移控制加载的试验方法 在减震 榫 的顶部 圆头中心处施 加低周 反复 荷载 5 m m一个量 级 每级循环两次 加载至 4 0 mm 在位移4 0 m m反复加 载直至试件出现裂纹 加载方案 2如图3所示 4 0 l 2 0 簿0 一 2 0 4 0 5 i 6 一 y y y y 图3 加载方案2 3 3 试验结果分 析 3 3 1 P一 曲线 将试验记录所得荷载和位移的数据转化成曲线 即 P一 曲线 如图 4所示 3 0 0 2 o o l0 0 0 2 0 0 1 5 O 1 o o 5 O O O l0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 0 lO 2 0 3 0 4 0 图4 P 曲线图 由图 4可见 对于试验 1 当位移 约为 1 3 ra m 荷 载 约为 1 2 5 k N时 试件 1 的 P一 曲线 开始 出现非线 性 表 明此时构件 已经进入塑性阶段 随着位移的增大 荷 载增 长速度减慢 当位移约为 2 7 ram时 荷载几乎不增 长 当位移为 6 0 ra m 时 最大 荷载 约 为 3 lO k N 此 时构 低温建筑技术 2 0 1 0年第 1 O期 总第 1 4 8期 件已经破坏 经观察 试件底部 和接 近底 部 的地方 均 有较大裂缝 出现 对 于试 验 2 当试 件 2进 入塑 性 阶 段 位移约 为 1 2 ra m 时 荷 载 约 为 1 1 0 k N 当在 位移 4 0 m m时循环加载 8个周期后 试件 2的根部 出现细微 的裂 缝 继续加载 裂缝 逐渐变 大 6 8个周期 后 结束 加载 试件仍未破坏 塑性位移可继续增大 3 3 2滞 回曲线 试件采用预设的加载规则循环加载 其滞回曲线 见图 5 通过试验所得 的试 件的 荷载 一位移滞 回 曲线 可以看 出 jUU 2 0 o 4 6 3 0 0 2 0 0 图5 滞 回曲线 1 滞回环形状呈梭形 滞回曲线的形状非常 饱满 反应出试件的塑性变形性能很强 具有很好的地 震能量吸收力和优越的抗震性能 2 在试件的起始加 载阶段 滞 回环 面积极 小 荷载和位移之间基本上呈直线变化 在荷载往复过程 中 刚度退化不明显 残余变形也 极为微小 试件基本 上处于弹性工作状态 3 随荷载进一步加大 滞 回环开始呈现曲线 形 随着荷载的逐级增加 滞回曲线开始逐渐向位移轴 倾斜 滞回曲线所包围的面积逐渐增大 试件刚度退化 明显 表 明结构进入非线性工作 阶段 4 试件进入最大荷载阶段 荷载还在上升 但 上升速 率减慢 随着施加位移加大 滞 回环的面积扩大 很快 滞回曲线的斜率降低较快 表明试件耗散能量加 大 刚度退化较快 3 3 3 耗能性能 试验 l 与试验 2的耗能参数见下表 1 可 以看 出 结构的等效粘滞阻尼系数随着试件顶端位移的增 大而增 大 这就 意味着随着试件顶点位移 的增大 结构 的耗能能力亦逐渐发挥 表 1 试验 1 试验 2的耗能能力参数m m 注 为等效粘滞阻尼系数 在结构达 到最 大荷 载之 前 由于试件各 构件 材料 塑性发展较小 结构中塑性变形较小 因此结构的耗能 能力没有充分发挥 此 时结构变形较小 发展速度也较 为缓慢 这体现在等效粘滞阻尼系数较小 当结构达 到最大荷载之后 试件材料塑性发展较大 结构 变形速 度也明显加快 此时体现 在试件 的等效 粘滞阻尼 系数 较大 变化速率也较快 试件耗能能力得以充分发挥 从上表数据可以看 出减震榫抗震耗能能力较强 4结语 1 在弹性 范 围内循环 加载 时 截面滞 回曲线 的包络面积几 乎为零 变形能力为弹性应变能 几乎没 有能量消耗 2 进入 塑性 范 围循环加 载时 对 于同一应 变 幅值 随着循环次数 的增加 承 载能力有所下 降 可见 循环荷载降低 了构件强度 但随循环次数的增加而逐 渐收敛 3 循环 加载过 程 中 荷 载卸载 到零 时仍 存在 残余变形 对每一循环来说 压应力开始加载时的残余 挠度可当作构件反向加载时的初始缺陷 该残余挠度 随循环 幅值的增加而增加 4 等效粘滞阻尼系数和功比系数随着模型顶 端位移的增大而增大 这就意味着随着模型顶端位移 的增 大 结构 的耗能能力亦逐渐发挥 上述分析可知 减震榫在低 周反复