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工程抗震与加固改造PDF

  维普资讯 第 30卷第 3期 工 程 抗 震 取 加 固 改 制 Vo1.30.No.3 2008年 6月 EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting Jun.2oo8 [文章编号] 1002.8412(2008l03.0015.06 高阻尼橡胶隔震支座的力学机能及隔震结果研究 袁 涌’,朱 昆一,熊世树’,资道铭 (1.华中科技大学土木匠程取力学学院,湖北武汉430074;2.华中科技 大学 节制布局湖北省沉点尝试室,湖北 武汉 430074;3.柳州东方工程橡胶制 品无限公司,广西 柳州 545005) [摘 要] 对新型高阻尼橡胶隔震支座的力学机能及此支座对桥梁的隔震机能进行了试验研究。通过输入正弦波研究其力 学机能,试验成果表 明:新型高阻尼橡胶隔震支座是速度相关型支座 ,加载频次的等效程度刚度有较大的影响,但对其等效阻 尼系数影响不大。然而加载履历对新型高阻尼橡胶隔震支座 的等效程度刚度取等效阻尼系数均有较大的影响。同时通过速 度节制型及时子布局试验切确 、定量地验证了新型高阻尼橡胶支座对桥梁的减隔震结果 。 [环节词] 高阻尼橡胶隔震支座;及时子布局试验;等效刚度;等效阻尼系数 [中图分类号] TU352.1 【文献标识码] A ExperimentalStudyonCharacteristicsandIsolatorE ctoflIiglI·dampingRubberBearing YuanYong’~,ZhuKun’ ,Xiong Shi.shu’一,ZiDao-uring’(1 . HuozhongUniversityofScience&Technology,Dept.ofCivil Engineering&Mechanics,Wuhan430074,China;2.HubeiKeyLaboratoryof ControlStructure,Huozhong Universityof Science& Technoolgy.Wuhan430074,China ;3.HuzhouOrientEngineeringRubberProductsCo.LTD,Huzhou545005,China ) Abstract:High—dampingrubberisolators(HDR)havebecometobe generallyusedforbridgesaseffectivedevicestoenhancetheseismic resistance.However,thedynamiccharacteristicsoftheHDRhavenotalwaysbeenclarifiedSOrbecau搜索引擎优化fitsscatternature andtheluckof reliabletestdaat.Inthisstudy,new typeHDR ioslators are testeddynamicallyin esveraldifferentconditions.Asaresult,therelationship betweentheequivalentstiffness,dampingconstantandnumberofcyclesisaswellasthemagnitudeofshearstrain.Thedifferencebytheorder oftestgivingthemagnitudeofshearstrain isalos discussed.Thereal-timesubstructurehybrid testsystem whichbaesdon velocityloading conceptisdevelopedtoverifytheisolationeffectsofhigh—dampingrubber.Comparedwithtestresultsofthenature urbberandhigh—damping urbberbearing,thebe stiosaltioneffectofhish—dampingurbberbearingto thetotalbridge structuralassociatedwith thecharacteristicsofthe inputseismicgroundmotionisalsodirectlyconfirmed. Keywords:high—dampingurbberioslator;real—timesubstructure hybridtest;equivalentstiffness;equivalentdampingconstant 地动形成大量的建建 、桥梁布局的 ,惹起较 正在出产和利用过程 中,铅将对形成无法填补的 多的人员伤亡,导致庞大的经济丧失 ,因而对工程结 污染 。正在利用过程 中形成橡胶开裂 、铅芯外露 ,也将 构进行无效地隔震显得很是火急。 目前 ,正在我 会对形成污染 ,同时其利用功能也遭到很大的 国的土木匠程隔震布局 中,最常用的隔震安拆是铅 影响。出格是正在既是强地动带,又是 天然 芯叠层橡胶隔震支座。可是尝试研究证明其利用的 区的 、云南等地,铅对生态形成的污染将是 橡胶正在低温下存正在着敏捷软化的现象,大量的研究 无法填补的。因而研究机能不变的新型高阻尼橡胶 也表白正在温度和交通荷载 (低周委靡)感化下支座中 隔震支座 ,既能无效地工程布局 的平安 ,又能够 的铅芯将发生委靡剪切 ,使支座 的阻尼机能大 避免对生态的污染。 幅度的降低 ,5000次程度小位移低周频频加载后其 目前 ,美 国、西欧和 日本等国投入了大量的物力 阻尼大致降低25% ;同时铅芯叠层橡胶隔震支座 和财力研制机能杰出 的新型高阻尼材料隔震支座 , 既可以或许不污染又能够用于正在强烈地动中工 程布局的平安。正在我国,目上次要是通过炭黑取橡 [收稿 日期 】 2008.01.18 [基金项 目】 国度 天然科学基金赞帮项 目(50708041) 胶链 的逛离基发生化学吸附取连系 ,构成炭黑. 维普资讯 工 程 抗 震 取 加 固改制 2008年 6月 橡胶凝胶布局来添加橡胶 的阻尼 。可是炭黑.橡 1.1 试验动力安拆 胶凝胶不是不变 的化学反映产品,而是化学 吸附取 本试验所用的竖向及其程度动力加载设备如图 连系的产品 ,研究证 明这种布局正在应力的频频感化 1所示。程度加载设备是美国MTS公司供给的动力 下容易,阻尼机能不不变 ;同时研究也表白炭黑 液压伺服做动器,此做动器 由 MTS公 司供给 的 对橡胶的软化效应 比力显著 ,使橡胶的延长率降低 。 FexTestGT节制系统节制 。同时 FexTestGT节制系 本文正在立异地开辟出新型高阻尼橡胶隔震支座 统留有外部输入信号的接 口,如许拟动力子布局试 (HDR)的根本上 ,研究其力学机能 ,通过分歧的加载 验 中的数值子布局计较法式和 DSP中节制法式就 挨次研究加载履历对新型高阻尼橡胶隔震支座的等 能和 FlexTestGT节制系统毗连进行数据信号互换 。 效刚度和等效阻尼系数的影响,并推导出不变后新 试验中利用的动力液压伺服做动器正在动力加载时可 型高阻尼橡胶隔震支座的等效刚度和等效阻尼系数 以达到-4-1000KN,程度位移的范 围是 土300mm。竖 的计较模子。正在 以上研究的根本上,开辟速度节制 向力由4个 750KN的静力做动器发生,整个竖 向加 型及时子布局试验 系统 ,并通过此试验系统验证新 载是 自均衡安拆,大幅度的削减 了设备的 自沉和加 型高阻尼橡胶隔震支座对桥梁的隔震结果 。 载过程中的摩擦力 。 1 力学机能试验研究 橡胶隔震支座试件 图1 程度和竖向加载示企图 1.2 试验 试件 试件进行逆应变加载试验。试验 中竖向荷载仍是保 本试验 的试件为4件机能不异的新型高阻尼橡 持960kN不变,程度方 向输入频次为 0.5Hz的正弦 胶隔震支座,其平面尺寸和橡胶层数都为 口400mm 波 ,其振幅按 250%、175%、100%应变挨次进行改 ×400mm×6层,橡胶每层厚度为 20ram,橡胶层总厚 变 ,每一应变往返进行 6次。同样对于每一振幅试 度为 120mm,橡胶 的程度剪切 弹性模量采用 G12 验之间将支座静置 24小时,使其能恢复到弹性状 (1.2N/mm )。 态 。 1.3 试验方案 ’ 1.4 试验成果及其阐发 起首辈行变加载试验 ,试验中支座 的竖向 变取逆应变试验中获得的新型高阻尼橡胶 荷载为960kN(面荷载 6N/mm:),并正在试验 中连结恒 隔震支座的畅回曲线所示。而且按照每一频 定。程度标的目的通过程度动力液压伺服做动器输入正 率下第二回至第六 回的畅回曲线按最大位移法计较 弦激励波 ,为了研究频次对支座机能的影响,对 3件 正在不 同应变下的等效程度刚度取等效阻尼系数阳 新型高阻尼橡胶隔震支座别离输入频次为 0.1Hz、 其等效程度刚度 、等效阻尼系数和加载频次 、应变的 0.3I-Iz、0.5Hz的正弦波 ,对于每一频次 的正弦波其 关系如图3、4所示。从图 3中可 以看 出,跟着加载 振幅别离按 100%、175%、250%应变 的挨次进行改 频次的添加,等效程度刚度有添加的趋向,大致上频 变 ,每一应变往返进行 6次。而每一振幅试验之间 率每添加 0.0lHz,其等效程度刚度添加 0.042(kN/ 将支座静置 24小时,使其能恢复到弹性形态。 Inni)。可是试验成果表白等效阻尼系数跟着频次的 其次,为了研究加载履历对新型高阻尼橡胶隔 变化几乎没有多大的变化 ,这申明新型高阻尼橡胶 震支座力学机能的影响 ,对未进行过试验 的 1件新 隔震支座的阻尼机能是不变 的,取激励频次的相关 维普资讯 第 30卷第 3期 袁 涌,等 :高阻尼橡胶隔震支座的力学机能及隔震结果研究 一7一瓣撂 性小。同时从图4中能够看 出跟着应变的添加,等 效程度刚度取等效阻尼系数都正在变小。 枷 枷 瑚 。 瑚 枷 ㈣ . 1 。 『 。 I 。 姗㈣伽 。瑚枷㈣啪 . I 。 l ’ I ’ 圣 : ·‘ — — l 鄢 超+ I ...... . 3x【】 .2x【】 .1x【】 0 1o0 200 3x【】 . 3x【】 .2x【】 .1x【】 0 lo0 200 300 程度位移(ram) 程度位移(mm) (a)顺 应变 (0.1 ) (b)变 (0.3Hz) : I 。 I 。 I ’ I 。 I ’ I 。 / J 800 : 6O0 400 圣 i _! ii 2H【) !苎!, 赫 咖㈣伽 瑚。 删 : 厂 厂 —■■■■■●■___0■J一 ‘ 棺 — = 饕。 1 : * · 2J【o : = . 4o0 : : . 6O0 I . I . I : . I . I . I 一 . . 3o0 .200 .1o0 0 lx【】 2o0 3x【】 . 300 -200 .100 0 l00 2x【】 300 程度位移(ram) 程度f移(ram) (c)变 (0.SHz) (d)逆应变 (O.5Hz) 图2 试验畅 回曲线 从逆应变畅 回曲线能够看出,当新型高阻尼橡 上力学机能试验不异如图 1所示。而试验节制方式 胶隔震支座起首履历 了大应变变形后 ,小应变试验 使用速度节制型子布局试验系统研究橡胶隔震支座 的初始刚度 比变试验成果降低 了,同时等效水 对桥梁的隔震减震结果的根基道理如图6所示。本 平刚度取等效阻尼系数也发生了变化。按照每一频 试验系统取保守基于位移节制的及时子布局拟动力 率下第二 回至第六 回的畅回曲线按最大位移法计较 试验系统比拟,有 3个新的内容 ¨ 。别离是 :1)正在 逆应变试验的等效程度刚度和等效阻尼系数 ,并取 试验节制法式方面 ,采用顺应具有速度相关性 的橡 变试验成果进行对 比,其成果如图5所示。从 胶材料 的速度节制法 。2)最新采用 PC.DSP(DSP: 图5中能够看出,正在变试验 中 100%、175%应变 高速数字信号处置器 (DigitalSignalPmeessor))硬件 的等效程度 刚度 比逆应变别离高 25%、19%,而 节制系统,使速度节制的概念成为了可能。3)试验 250%应变时两者却几乎不异。对于等效阻尼系数 , 系统中采用 operatorsplitting(OS)数值积分法 ,提高 逆应变试验成果均 比变的试验成果小,100%、 了阐发法式的不变性和性 ,不再遭到时间步长 175%、250%应变时分另U小 了7.3%、0.9%、16.9%。 的 。 由此可见新型高阻尼橡胶隔震支座的等效程度刚 2.2 速度节制道理 度 、等效阻尼系数取加载挨次有很强的相关性 。 从 以上根基力学机能研究中得 出,新型高阻尼 2 隔震机能速度节制型及时子布局试验研 究 橡胶隔震支座的力学机能取加载频次 、加载履历有 2.1 试验动力安拆取试验方式概述 很强的相关性 ,因而本研究采用速度节制法 ,充实考 本试验所用的竖向及其程度动力加载设备取以 虑加载速度 、加载履历对力学机能的影响。其速度 维普资讯 工 程 抗 震 取 加 固 改 制 2008年 6月 E E E E Z Z 耧 E E Z 世 耧 ? 耧 #: 图3 等效程度刚度取应变 、激励频次的关系 图5 变取逆应变试验成果的对 比 巍 垛 耧 妒 : I . . . . . . . . . … . . . . . . . j i 一 宝 j 一 二_!乏 -Ij SeismicInputmotion 图6 速度节制型及时子布局试验系统的根基道理 籁 方式如图7所示 ,当节制法式运转完第 i步时,正在此 髅 世 刻 的试件运转速度 (i)通过数值积分计较 出,同时 盆 鞍 计较出第 i+1步的预测位移 方针值 。正在第 i步到 拂 第 i+1步的 △£时间步长 间,试验试件正在动力液压 伺服做动器加载下以速度 (i)匀速运转 。当 △t时 间步长竣事或者 已达到预测位移 方针值 ,丈量此刻 试验试件的现实恢复力和现实位移,并 以此为根本 图4 等效阻尼系数取应变、激励频次的关系 计较速度 (i+1)和第 i+2步的 方针位移。正在测 节制法道理是正在试验节制时间步长 内连结 MTS动 量和计较过程 中试验试件继续连结以速度 (i)匀 力加载安拆以特定的速度匀速运转,其具体的节制 速活动,而且将此时的位移节制正在误差答应范畴内, 维普资讯 第30卷第 3期 袁 涌,等 :高阻尼橡胶隔震支座的力学机能及隔震结果研究 ·l9· 分量为 714t。试验桥墩模子的 l阶振型为 {0.08, 0.133,0.991},其周期为 1.27s,正在试验计较节制程 序的编写过程中,为 了确保试验的平安,布局3 度模子的2阶和 3阶振型不予考虑 ,仅仅考虑布局 模子正在 l阶振型下的地动反映。图8(b)中3 度模子所用的刚度 (k,,k 和 k k )值按照混凝 土桥墩正在弹性范畴内的断面弯矩和应变曲率的曲线 关系计较给出。试验 中利用的橡胶隔震垫是 0.5倍 的缩尺模子,其面积是线,而正在现实情 况 中,每个桥墩利用 2个橡胶隔震垫。因而,现实每 图 7 速度节制方式 的道理 个桥墩上的橡胶隔震支座的总恢复力是试验中实测 恢复力的8倍。 [c]: [ ]×[]×[2^ 。]×[] ×[ ] (1) 3.3.2 试验中利用的橡胶隔震支座及其地动波 本次及时子布局拟动力试验利用的试验试件是 板式橡胶支座 NR,新型高阻尼橡胶隔震支座 HDR。 其平面尺寸都采用方形 400mm×400mm,纯橡胶层 总厚度为 120mm,橡 胶 的剪切弹性模量为 1.2N/ (a)现实桥墩布局 (b)简化致值模子 mnl,其 175%应变时的阻尼比设想值别离为 0.04, 0.21。试验 中采用 2类场地的地动波 L2TISoil2,其 图8 试验中利用的数值模子 最大加快度峰值为0.22g,地动波的尺度输入时间 一 旦速度 (+1)计较出,动力加载设备将运转速 间隔为 △T=0.01。 度改为 (i+1)。速度节制法能够避免编写以往用 3.3.3 试验成果取阐发 位移节制的及时拟动力试验系统中利用的极其复杂 10m高桥墩正在 L2TISoil2地动波输入前提下,2 的数值计较及节制法式n 。 种支座的地动反映畅 回曲线所示。为 了定量 正在本试验系统中采用 operatorsplitting(OS)数值 的评价其隔震结果 ,从试验成果中间接测得桥墩顶 求解方式,正在此方式 中只需法式中试验试件 的初始 部的最大位移、桥面的最大位移、桥面的最大加快 刚度比现实刚度略大 ,正在必然范畴内无论采用 的时 度 ,同时通过式 (2)的计较求得桥墩底部 的最大弯 间步长是几多 ,计较节制法式都是无前提不变。同 矩 ,成果如表 1所示 。试验成果概况新型高阻尼橡 时因为试验中不竭的批改预测位移 方针值 ,正在初试 胶隔震支座对桥梁具有 优良 的隔震结果。 前提中的误差会 跟着试验进行而很快 的消弭,如许 : Z(M 互 +肼,互,) (2) 。 正在编写节制法式时可 以避免遭到时间步长 的 , 表 1 及时子布局拟动力试验成果 因而这种数值求解方式最适合速度节制型及时子结 桥墩顶部的 桥面的最 桥面的最 桥墩底部的 构拟动力试验利用。 支座 最大位移 大加快度 大位移 最大弯矩 3.3 试验方案 (mil1) (ga1) (mil1) (kN·帆 ) 3.3.1 力学模子 NR 46.8 40 .78 2l8.2 294 试验中利用 的隔震桥梁 的某桥墩如图8(a)所 HDR 40.3 33.52 192.6 244 示,图8(b)是其简化的3度模子。 4 结语 . 正在试验中采用了 10m高的混凝土桥墩 ,桥墩基 本文对新型高阻尼橡胶隔震支座的力学机能及 础的平面尺寸6.3m×6.3m,根本高度为2.0m,桥墩 其对桥梁的隔震机能进行 了试验研究。试验成果表 的断面尺寸为 5.22m×2.4m,高度为 9.5m,桥面 的 明新型高阻尼橡胶隔震支座是速度相关型支座,加 维普资讯 - 20· -r程 抗 震 取 加 固改 制 2008年 6月 一 参考文献 : [1] 袁涌,青木微彦 ,山本吉久 .关于高阻尼橡胶隔震支座 Z 动力特征的研究[A].日本构制工学论文集 [c],2005, . ·R Vo1.5lA 聪 [2] 庄学实,沈朝怯,金建敏 .桥梁高阻尼橡胶支座力学性 ; NR‘ 能试验研究[J].地动工程取工程振动,2006,(26)5:208 ~ 2l2 [3] YuanY,AokiTandYamamotoY.ExperimentStudyofthe 程度位移(cm) (a)板 橡胶支座的畅 曲线 Dynamic Behavior ofhigh·d·amping--rubber bearing isolator lAJ.TheFirstInternationalconferenceonAdvancesin / ExperimentalStructural Engineering[C],NagoyaJapan, 2005:505~5l1 。 /.‘ NakashimaM ,KatoH andTakaokaE.DevelopmentofReal— / . timePseudoDynamicTesting[J].EarthquakeEngineeringand 一 SturcturalDynamic,1992,21:79~92 . 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