横向减隔震装置设计与试验研究

张银喜，孔令俊，陈彦北，王小波，郝红肖

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

横向减隔震装置设计与试验研究

张银喜，孔令俊，陈彦北，王小波，郝红肖

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

利用防落梁装置的构造形式，以一斜拉桥为应用对象，设计了一套具备纵向可滑、横向减隔震装置。对所用钢材进行单轴拉伸试验，并获得了可供数值仿真使用的应力-应变曲线，通过有限元数值仿真分析实现了缩比装置的虚拟设计。为验证仿真结果的可靠性，利用压剪试验机对缩比装置进行了最大横向位移为100 mm的周期位移试验。结果表明：设计的缩比装置能够满足相关规范的要求；有限元仿真分析结果与试验结果吻合较好，可准确地对变形区域进行预测。

减隔震装置；桥梁：金属阻尼器；数值仿真；压剪试验

自1972年，文献［1］提出利用金属阻尼器吸收结构能量的方法至今，各国研究人员已研发出了众多不同结构形式的金属阻尼器。然而这些装置一般并不具备普遍适用性，针对不同的使用条件需进行改造，甚至要全新设计。文献［2］中通过对一斜拉桥结构动力学分析表明，在处于高烈度区的桥梁使用纵向速度锁定器+横向耗能减震装置组合式减隔震方案能够使该桥抗震性能满足规范要求。本文根据防落梁装置［3］结构特点，利用有限元数值仿真技术设计了一种纵向可滑、横向减隔震装置。

1　装置参数

根据文献［4］的规定，一般情况下减隔震桥梁抗震分析宜采用非线性动力时程分析方法。通过Midas/Civil对某7跨斜拉桥在地震波作用下的时程分析计算可知，每个墩的横向减隔震装置（见图1）能够提供8 000 kN的横向屈服力，且最大横向位移［5］为300 mm。

图1　横向减隔震装置（单位：mm）

横向减隔震装置主要性能参数见表1。

表1　单套横向减隔震装置性能参数

2　缩比装置设计

由于上述横向减隔震装置的性能参数已超过现有设备的试验能力，故本文采用缩比模型方法，利用有限元仿真分析进行了缩比装置虚拟设计，并结合试验数据对有限元分析结果的准确性进行了评估。

2.1材料参数测试

目前，国内钢阻尼装置一般采用塑性较好的Q235或Q345低合金高强度钢［6］。此类材料变形能力较强，环境和温度对其性能没有显著影响［7］。为保证横向减隔震装置的力学性能符合文献［8］中规定的屈服力误差范围不超过设计值±15%的要求，在阻尼元件设计之前，按照文献［9］的规定从待加工阻尼元件的钢板上取样，并利用株洲电力机车研究所新材料检测中心电子万能试验机按照要求进行测试。

拉断后的试样见图2，试样断口位置可见明显颈缩，具有典型的塑性断裂特征。

图2　断裂后的试样

拉伸试验测得的应力-应变曲线见图3。由于所测曲线为名义应力-名义应变曲线，而Abaqus仿真分析中需输入从真实应力-塑性应变曲线提取的特征点，故按照文献［10］中的公式对所测曲线进行转换，并按其提供的方法选取数据进行有限元仿真分析，应力（变）转换公式见式（1）、式（2）。为准确测量，共测试了3个试样。

图3　拉伸试验应力-应变曲线

式中：εtrue，εnom分别为真实应变、名义应变；σtrue，σnom分别为真实应力、名义应力。

2.2装置设计

双弧形阻尼元件与实际产品的尺寸比例为1∶3，缩比装置中含有2个阻尼元件，试验样品见图4。当试验装置首次达到最大横向位移Dmax=100 mm时整体等效塑性应变云图见图5（a），阻尼元件中的等效塑性应变最大值为0.064 6，见图5（b），满足10次全循环的设计要求［8，11］。

图4　缩比装置试验样品（单位：mm）

图5　水平位移为100 mm时应变云图

3　缩比装置试验与结果分析

本文试验在1 000 t压剪试验机上进行，试验过程按照文献［7］的要求进行了0.25Dmax，0.50Dmax和1.00Dmax的逐级加载，循环次数分别为5次、5次和10次。同时进行了15次规定的超载试验（1.2Dmax）和最大位移（1.0Dmax）的疲劳试验。其中最大横向位移为100 mm的有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）和试验实测（TEST）滞回曲线见图6。图中TEST曲线包括10条实测循环曲线，且不同循环间有一定离散。由图6可知，有限元分析与试验实测滞回曲线重合性较好，屈服力计算值和试验值分别为95，103 kN，试验值较设计值增大了8.4%，符合文献［8］的规定。二者的差异主要因为Abaqus内嵌的材料硬化模型对循环硬化的描述存在误差。石永久等［12］采用自编UMAT较好地解决了上述问题。试验完成后，上下底板组件和阻尼元件均未发现明显裂纹（见图7），满足文献［7］的使用寿命要求。

图6　有限元分析与试验实测滞回曲线

图7　测试后的阻尼元件

将试验后阻尼元件表面氧化层剥离区域（图7中弧形段泛白区域）的分布与数值仿真计算中阻尼元件经历一个周期变形后塑性应变云图（见图8）进行对比发现，在经历最大横向位移100 mm的周期变形后，其塑形变形区域与有限元分析结果一致，说明有限元仿真分析对产品变形区域的预测具有较高的准确性。

图8　计算模型应变云图

4　结论

本文根据对一斜拉桥在地震条件下响应分析所确定的桥梁抗震参数，对设计的一套屈服力为8 000 kN、最大横向位移达300 mm的横向减隔震装置进行了1∶3缩比装置设计与试验。通过数值仿真分析与缩比装置试验，验证了该装置在大位移变形时的稳定性和完整性。试验结果和有限元仿真分析结果较为吻合，可以利用有限元仿真分析技术对该装置进行虚拟设计，在缩短产品研发时间和节约成本的同时能够保证设计参数与实际产品一致。

［1］KELLY J M，SKINNER R I，HEINE A J.Mechanisms of Energy Absorption in Special Devices for Use in Earthquake Resistant Structures［J］.Bulletin of the New Zealand Society for Earthquake Engineering，1972，5（3）：53-57.

［2］卫俊，张建强.乌海甘德尔黄河大桥主桥设计［J］.城市道桥与防洪，2015（1）：54-58.

［3］陈彦北，李鹏，郝红肖，等.防落梁装置：CN102444085A［P］.2012-05-09.

［4］中华人民共和国交通运输部.JTG/T B02-01—2008公路桥梁抗震设计细则［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［5］孔令俊.某斜拉桥主桥地震分析［R］.株洲：株洲时代新材料科技股份有限公司，2011.

［6］陈列，胡京涛.桥梁减隔震技术［M］.北京：中国铁道出版社，2014.

［7］周云.金属耗能减震结构设计理论及应用［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2013.

［8］中华人民共和国交通运输部.JT/T 843—2012公路桥梁弹塑性钢减震支座技术条件［S］.北京：人民交通出版社，2012.

［9］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 228.1—2002金属材料拉伸试验［S］.北京：中国标准出版社，2002.

［10］石亦平，周玉蓉.Abaqus有限元分析实例详解［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［11］郝红肖.新型金属阻尼器产品的理论研究［R］.株洲：株洲时代新材料科技股份有限公司，2011.

［12］石永久，王萌，王元清.结构钢材循环荷载下的本构模型研究［J］.工程力学，2012，29（2）：92-98.

Design and Experimental Study on Transverse Vibration Isolation Device

ZHANG Yinxi，KONG Lingjun，CHEN Yanbei，WANG Xiaobo，HAO Hongxiao
（Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412007，China）

T aking the cable-stayed bridge as the application object，a transverse vibration isolation device was designed by using the anti-falling device，which could slide in the longitudinal direction.T he stress-strain curve for numerical simulation was obtained by using a uniaxial tensile test of steel material.T he finite element analysis（FEA）technology was used to design a scaled model.In order to verify the reliability of the finite element simulation results，the maximum lateral displacement（100 mm）was carried out by the periodic displacement test with the loadshear test machine.T he results showthat the designedmodel canmeet the requirements of the relevant specifications，the parameters acquired from FEA can achieve good agreement with that of the test and estimate the deformation area exactly.

Vibration isolation device；Bridge；M etallic damper；Numerical simulation；Load-shear test

TU352.12

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.09

1003-1995（2016）09-0035-03

（责任审编郑冰）

2016-03-18；

2016-05-26

张银喜（1985—），男，工程师，硕士。