一种钢阻尼滑板橡胶支座设计与试验研究

张银喜，郝红肖，陈彦北，孔令俊，曹志峰

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

一种钢阻尼滑板橡胶支座设计与试验研究

张银喜，郝红肖，陈彦北，孔令俊，曹志峰

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

将钢阻尼元件与滑板橡胶支座加以组合研发出钢阻尼滑板支座，滑板橡胶支座承担竖向载荷，利用钢阻尼元件的弹塑性变形和耐磨板与不锈钢板的摩擦力在提供支座所需刚度的同时耗散输入能量。由于该支座的耗能功能主要由C型钢阻尼元件和摩擦力提供，而钢材与耐磨板材料性能受温度影响较小，因此该支座拥有更广泛的适用性。通过有限元数值仿真技术完成试验支座设计后，利用压剪试验机对试验模型进行了摩擦力及整体阻尼性能试验。结果表明:试验支座实测性能与数值仿真分析设计的结果一致，试验所得滞回曲线饱满，在不同变形方向均具有较好的耗能效果，设计符合相关标准要求。

钢阻尼器；滑板支座；有限元分析；压剪试验

目前应用于高震区中小跨径梁桥的橡胶类支座，无论是通过结构延性还是通过减隔震装置进行抗震，存在的最主要问题是各类橡胶支座对温度比较敏感。低温造成刚度和阻尼大幅增加，高温则造成刚度和阻尼严重降低，实际应用中高低温对刚度和阻尼的影响往往是常温下的数倍，使得减隔震效果严重偏离设计预期［1-3］。橡胶属于高分子材料，容易老化造成性能退化，耐久性较差。采用铅芯橡胶支座进行减隔震设计，无法避免铅芯的环境铅污染问题，不利于建立环境友好型社会。因此，研制一种温度适用性更广、性价比更好、环境友好型、耐久性较好的减隔震支座，在高震区中小跨径的梁桥中进行推广和应用就显得非常有意义。

1　工作原理

钢阻尼滑板支座［4］由承受竖向力和转角位移的高耐磨滑板支座，以及在其四周布置的性能受温度影响较小的钢阻尼组件［5］组成，如图1所示。其结构与李爱群等［6］设计的双向耗能钢阻尼器相似。支座中的摩擦和钢阻尼元件可提供支座刚度，并在地震作用时通过支座中钢阻尼元件的弯曲变形提供运动位移和阻尼，产生周期性的弹塑性变形，从而消耗地震能量，减小输入桥梁的地震能量。

S32205双相不锈钢中含碳量低于0.03%属于超低碳不锈钢，超低的碳含量可以提高材料的焊接性，降低碳化物在晶界析出的倾向，使得晶间耐腐蚀性提高。氮元素的加入可以改善焊接后金属抗腐蚀能力，改善焊缝处力学性能，促进形成双相组织，平衡两相的比例，高含量的铬、钼元素可提高钢材抗腐蚀性。

图1　钢阻尼滑板橡胶支座设计方案

2　试验支座设计与试验测试

2.1支座参数计算

《水上飞机》一文中有这么一句话：“在茫茫的大海上，小海鸥发现了一条奇怪的大船：白色船体的两边长了两个大翅膀。”

40年来，特别是党的十八以来，云南铁路抓住国家西部大开发和云南面向南亚东南亚辐射中心建设的机遇，积极争取国家政策支持，铁路投资、规划项目落地和开通运营里程保持高位增长。

3种材料摩擦力滞回曲线见图4。由图可知，HLIDE，PTFE和UHMWPE 3种材料对应的滑动摩擦力曲线平台值分别约为50，50，100 kN，按库伦摩擦定律μ=F/N（F为摩擦力；N为竖向压力）得到HLIDE，PTFE和UHMWPE 3种材料的干摩擦系数μ分别为0.033，0.033和0.067。

对于支座整体滞回性能，根据标准［9］中对钢阻尼装置试验要求的规定，需要采用逐级加载的方式对支座进行加载。本文试验选定了3种最大位移的试验工况，分别是40，80，160mm，纵桥向和横桥向滞回曲线如图5所示。

经计算得到钢阻尼橡胶支座中钢阻尼组件部分的力学性能参数，见表1［7］。根据以上计算参数，所设计试验支座的最大位移按极限值d=160 mm（约为最大位移的120%）确定。

表1　钢阻尼组件性能参数

2.2支座设计

而且，这里需要明确一个问题，即容错是手段，纠错是目的。通过容错达到纠错的目的，从而通过不断地先行先试来促进改革的发展和工作的深入。因此容是必须的，也是必然的。

结果表明，HLIDE与PTFE的摩擦系数要显著小于UHMWPE，但是考虑到HLIDE的耐热温度达70℃以上，而PTFE的推荐使用耐热温度仅为40℃［12］，所以建议在钢阻尼滑板橡胶支座中选用HLIDE作为耐磨板材料。HLIDE板与不锈钢板摩擦，不仅可以通过摩擦力耗能减小C型钢阻尼元件的屈服力，而且可防止因摩擦生热量过大导致的耐磨板融化变形损坏。

根据表1中的性能参数对支座钢阻尼组件部分力学性能进行了设计，同时考虑到地震方向的随机性，计算了阻尼元件在多方向上的滞回性能，其中所加位移方向与纵桥向的夹角分别取0°（L-纵桥向），30°，45°，60°和90°（T-横桥向），位移幅值均为160mm。

以广州《时事画报》为例，阐释晚清岭南报刊的发行情况。1908年，《时事画报》已刊行4年，建立了较稳定的发行网络，其发行分为国内、国外两个部分。在国内其代理点集中在广东、广西境内，华南之外的地区少有刊行。晚清岭南报刊其发行情况皆与其类似，如《东方报》发行地为省城、佛山、大良、梧州等，[1]《岭东日报》集中于潮嘉地区，[2]报刊发行基本在两广区域内。

美国著名商业调查公司民茨公司(Mintz Group)调查员兰德尔·菲利普斯(Randal Philips)认为，中国提出的“一带一路”倡议是对奥巴马政府“亚太再平衡战略”，特别是TPP经济倡议的回应，通过这一计划提供有别于美国的规则与机制，而该地区相对欠缺的基础设施投资恰好提供了通向这一替代计划的便捷之路。而且，在中国领导人看来，“一带一路”倡议是提升中国国际地位和形象的理想的政治经济平台，无论在规模还是目标上都要超越二战后的美国马歇尔计划。[19]

计算所得纵桥向和横桥向滞回曲线如图2中0°和90°对应曲线所示。由图可见：支座滞回曲线饱满，呈纺锤形（梭形），无异常突变现象，性能稳定。钢阻尼组件横、纵桥向提供的阻尼力分别为98 kN和55 kN。标准［9］中要求屈服力偏差不超过设计值的±15%，上述设计值相对表1中的数值分别偏差-2%和10%，满足设计要求。

滑动摩擦系数试验完成后HLIDE板保持完整，表面无明显深划痕，如图3所示。

图2　钢阻尼组件在不同变形方向的滞回曲线

2.3支座力学性能试验

试验在株洲电力机车研究所新材料检测中心2 500 t支座压剪试验机上完成。在试验样品经专用工装固定在试验平台之后，首先对支座竖向加压，并进行1 500 kN保载以模拟支座在实际工作时的承压状态。

为比较钢阻尼滑板橡胶支座中所使用的耐热型耐磨板（HLIDE，Hot Slide）与现有标准［10-11］中推荐的聚四氟乙烯（PTFE，Polyterafluoroethylene）耐磨板和超高分子量耐磨板（UHMWPE，Ultra-high molecular weight polyethylene）在干摩擦性能方面的差异，本文在进行支座阻尼特性试验之前对3种耐磨板完成了滑动摩擦系数试验。试验过程中，钢阻尼滑板橡胶支座不安装C型钢阻尼元件，按最大位移d=160 mm循环加载1个周期，加载速度为2 mm/s。

支座整体力学性能试验的加载方式按照标准［9］中的逐级加载方式进行，最大位移分别为0.25d，0.5d和1.0d，速度为2mm/s。

2.4结果分析

钢阻尼组件在其他变形方向的滞回曲线如图2中30°，45°和60°对应曲线所示。由图可见：在不同方向上，该阻尼元件滞回曲线均饱满，无异常突变现象，性能稳定，均具有较强的耗能能力。说明钢阻尼滑板橡胶支座可以通过变换钢阻尼元件之间夹角的方法实现不同屈服力水平。

图3　滑动摩擦系数试验后HLIDE板

为验证上述钢阻尼滑板橡胶支座方案的合理性，本文选取了某公路桥梁作为研究对象，采用钢阻尼支座+滑板橡胶支座的计算方案对其进行减隔震分析，获得了所需钢阻尼滑板橡胶支座参数。

图4　3种材料摩擦力滞回曲线

由于钢阻尼滑板橡胶支座最主要的耗能元件为钢阻尼元件，而在众多形式的钢阻尼元件中，C型钢阻尼元件结构最为简单，研究也比较充分［8］。为便于生产加工，试验支座采用C型钢阻尼元件作为耗能元件，建立了与图1一致的Abaqus数值分析模型。

该桥为10×25 m连续梁桥，桥址区地震抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第2组，场地类型为Ⅲ类，地震动反应谱特征周期值为0.45 s。

根据有限元仿真计算所得纵桥向、横桥向最大位移时的应力云图可知，阻尼元件在最大位移时产生的最大Mises应力分别为390.3，413.8 MPa，且其分布较为均匀，有利于材料充分利用；最大等效塑性应变为0.034 2，0.054 1，塑性变形分布均匀，与文献［5］的建议一致。

由图5可知，纵桥向与横桥向的屈服力分别约为110，165 kN，其中包含了前述HLIDE与不锈钢板的摩擦力，约50kN，相对于计算值105，148 kN分别增大了4.8%，11.2%，试验结果与有限元仿真设计的钢阻尼滑板支座横桥向和纵桥向的屈服力较为一致，符合标准［9］的规定。

图5　钢阻尼滑板支座滞回曲线

3　结论

利用组合式支座设计方法，通过将钢阻尼元件与滑板橡胶支座进行组合研究了一种钢阻尼滑板支座，得到如下结论：

1）由于钢材与耐磨板材料性能受温度影响较小，此支座具有更广泛的适用性。

2）钢阻尼元件的弹塑性变形、耐磨板与不锈钢板的摩擦力可以耗散输入能量。

③中职高职衔接、职业教育与普通教育相互沟通，体现终身教育理念．为学生多样化选择、多路径成才搭建“立交桥”．

3）通过有限元仿真分析设计的试验支座性能与试验测试结果一致，试验所得滞回曲线饱满，在不同变形方向均具有较好的耗能效果，符合设计要求。

4）有限元数值仿真技术可较好地应用于钢阻尼滑板橡胶支座的虚拟设计中，提高支座的研发效率。

［1］中华人民共和国交通部.JT/T 663—2006公路桥梁板式橡胶支座规格系列［S］.山东：山东科学技术出版社，2007.

［2］中华人民共和国交通运输部.JT/T 842—2012公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座［S］.北京：人民交通出版社，2013.

［3］中华人民共和国交通运输部.JT/T 822—2011公路桥梁铅芯隔震橡胶支座［S］.北京：人民交通出版社，2012.

［4］张银喜，陈彦北，郭强，等.一种钢阻尼复合滑板橡胶支座及其阻尼方法：中国，ZL201410375820.9［P］.2015-12-09.

［5］陈列，胡京涛.桥梁减隔震技术［M］.北京：中国铁道出版社，2014.

［6］李爱群，贺星新，李建慧，等.桥梁支座双向耗能钢阻尼器力学性能研究［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2014，42（8）：123-127.

［7］孔令俊.凤塘大桥减隔震分析报告［R］.株洲：株洲时代新材料科技股份有限公司，2013.

［8］刘军，宁响亮，李文斌，等.弹塑性钢阻尼元件在桥梁减震中的应用［J］.铁道建筑，2012（2）：22-24.

［9］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.

［10］中华人民共和国质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.GB 20688.5—2014橡胶支座第五部分：建筑隔震弹性滑板支座［S］.北京：中国标准出版社，2014.

［11］中华人民共和国交通运输部.JT/T 901—2014桥梁支座用高分子材料滑板［S］.北京：人民交通出版社，2014.

［12］European Committee for Standardization.BS EN 1337-2 Structural Bearings—Part 2：Sliding Element［S］.London：British Standards Institution，2004.

（责任审编赵其文）

Design and Experimental Study on Sliding Plate Rubber Bearing with Steel Damper

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

Sliding plate rubber bearing with steel damper（SBSD）was analyzed in this paper.T he bearing transfers the vertical loads，and the elastic-plastic deformation of steel damper and friction from wear-resisting plate and stainless steel plate provide appropriate stiffness and dissipate energy.T he energy dissipation depends on the C-shape steel damper and friction，and the temperature effect on steel and wear-resisting components is trivial；thus，this bearing may be widely used.T he bearing design was based on the numerical analysis by using finite element method，and then the experiment was used to test the friction force and the damping property by using compressionshear test machine.T he results show that the test data of bearing are consistent with numerical simulation.T he experimental hysteresis curve is full，and the bearing dissipates energy well in different directions.T he design meets the requirements of relevant standards.

Steel damper；Sliding plate bearing；Finite element analysis；Compression-shear test

U443.36+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.08

1003-1995（2016）10-0029-03

2016-04-11；

2016-07-08

张银喜（1985—），男，工程师，硕士。