EXPERIMENTAL STUDY ON MECHANICAL PERFORMANCE OF MULTI-LEVEL SMA LEAD RUBBER BEARING
-
摘要: 地震考验表明,减隔震桥梁具有良好的隔震性能,可大幅减小桥梁下部结构的内力。但是,在速度脉冲型地震动作用下,减隔震支座往往会产生过大变形,造成支座残余变形、梁体碰撞和落梁等震害。为满足桥梁在不同地震水准作用下的不同性能需求,拟提出一种多级设防SMA减隔震装置(Multi-level SMA lead rubber bearing,简称MSLRB)。数值模拟与拟静力试验表明:MSLRB不仅具有变形自恢复,还具有中小震隔震效率高和强震限位能力强等优点。Abstract: The seismic test shows that the isolation bridge has good isolation performance and can greatly reduce the internal force of the bridge substructure. However, under the action of velocity pulse type ground motion, the isolation bearing will often produce excessive deformation, resulting in the residual deformation of the bearing, the beam collision, the beam falling and other seismic damage. In order to satisfy the different performance requirements of bridges under different seismic levels, a Multi-level SMA lead rubber bearing is proposed and tested. The numerical simulation and quasi-static test show that MSLRB has many advantages such as multi-level performances, self-recovery of deformation and strong limiting capacity.
-
桥梁是我国交通系统的重要枢纽工程,一旦遭受严重的地震破坏,将导致交通网络瘫痪,造成重大经济损失。减隔震支座(如摩擦摆支座、铅芯橡胶支座等)可以显著减少地震作用下桥梁下部结构的内力。而在地震高烈度区域,较大的地震作用往往使桥梁的墩梁间产生较大的相对位移。特别当近断层地震或罕遇地震发生时,桥梁有可能出现主梁移位、梁体碰撞或落梁等严重灾害[1]。虽然抗震挡块或其它限位装置可以限制墩梁间产生的过大相对位移,但当上部结构与抗震挡块发生碰撞时,瞬间产生的脉冲将使桥墩产生极大的地震力,造成桥墩的损伤,不利于震后修复。
为此,众多学者将一种新型智能材料——形状记忆合金(SMA)引入桥梁的抗震设计当中[2-3]。Clark等[4]将多根SMA合金丝环绕在橡胶支座上,首次将SMA材料运用到减隔震支座。李忠献等[5]提出一种半主动SMA拉索橡胶支座,通过调节SMA拉索温度,改变隔震支座刚度,从而降低结构地震反应。庄鹏等[6-7]和刘海卿等[8-9]通过试验与有限元模拟综合研究了SMA叠层橡胶支座的滞回特性及其在桥梁中的隔震性能。在上述研究中,SMA材料的加入都显著提高了减隔震装置的自复位、耗能和限位能力。但是,这些SMA复合支座仅使用单一的设防措施,无法同时满足在不同地震水平下的性能需求。为了使得支座兼具中小震时减隔震效果好,强震时限位能力强的优点,Cao等[10]提出了多级设防支座。本文中称其为多级设防SMA减隔震装置(MSLRB)。MSLRB通过分批次张拉SMA索,逐步提高支座的刚度,从而达到多级设防的目的。本文拟对MSLRB进行试验研究。通过数值模拟与拟静力试验,研究其在往复剪切荷载作用下的力学性能。
1 多级设防减隔震装置
1.1 设计原理
桥梁减隔震设计过程中,减隔震支座如果刚度过大,桥梁下部结构在中小震下就会产生过大的内力;如果刚度过小,主梁在强震下则会发生过大的位移。MSLRB使用LRB与多批SMA索并联组成,其设计原理如图1,不同批次的SMA索先后作用:一方面可以减小桥梁在中小震时的过大内力,如图中OAB段,支座仅LRB与第一批索SMA-1开始作用,恢复力较小,隔震效率高;另一方面超设防地震作用下,如图中DE段全部索共同作用,恢复力显著提升,有效限制梁体在强震下的过大位移。
1.2 工作机制
MSLRB使用铅芯橡胶支座作为基本支承与水平耗能单元,通过调整三种批次SMA索松紧程度,实现支座随着水平位移的增加。恢复力呈阶梯状增大,以满足在结构不同地震水准条件下的抗震性能目标。
以MSLRB-1为例,支座初始状态第一批索SMA-1张紧,第二、第三批索不起作用,见图2(a)。其恢复力模型类似铅芯橡胶支座,参与中小震下耗能并提供自复位能力。发生大震时对应水平位移u1状态,第二批索SMA-2开始作用,第三批索不起作用,支座刚度变大,见图2(b),进一步增加耗能于提供自复位能力。发生超设防地震时对应水平位移u2状态,第三批索SMA-3开始张紧,三批索共同作用,见图3(c)。支座刚度进一步增大,限制墩梁间过量相对位移,避免出现落梁等结构物倒塌灾害。
2 试验概况
2.1 试验装置
2.1.1 LRB
试验采用苏州海德新材料科技股份有限公司生产的Y4Q420铅芯橡胶支座,各设计参数见表1(根据《公路桥梁铅芯隔震橡胶支座》[11])。
表 1 铅芯橡胶支座设计参数Table 1. Parameters of LRB项目 参数 项目 参数 支座直径/mm 420 第一形状系数 15 支座高度/mm 169 第二形状系数 4.3 铅芯直径/mm 49 屈服力/kN 61 橡胶层/mm 6.66×14=93.25 屈服后水平刚度/(kN/mm) 1 加劲钢板层/mm 2.75×13=33.75 剪切模量/MPa 1 2.1.2 SMA索
实验采用Fort wayne公司生产的7 mm×7 mm×0.885 mm的镍钛合金SMA索,如图3(a)。该索具有优异的超弹性性能如图3(b)。同时具有良好的耗能能力;当变形增大到达某一值时,将进入强化阶段,产生较大的恢复力;并且该索在卸载后几乎不产生残余变形。这些优点将显著提高隔震装置的耗能、自复位能力和限位作用。
2.1.3 MSLRB装置
图4为MSLRB各基础元件的设计。LRB上下顶板进行钻孔处理,如图4(a)。为方便U栓安装与调节SMA索松紧程度,并在开孔处开凹槽如图4(b)~图4(d)。将每根SMA索两端弯曲成环,并将其端部用铝套与内段索连接。索环内垫鸡心环,以防止索的局部应力集中。用液压装置压紧铝套,固定SMA索端部,如图4(e)。将SMA索端部环套入U形栓槽内,U栓螺柱再穿过支座上下顶板,拧紧螺栓连接。
SMA索的长度通过其张紧时的支座水平位移(自由行程)、布置方式和计算长度如表2所示。
表 2 各批SMA索布置参数Table 2. Parameters of each type of SMA cables组件 自由行程/mm 布置方式 计算长度/mm 第一批SMA 0 环形布置 2413 第二批SMA 60 直线布置 602 第三批SMA 100 环形布置 254 第一批索SMA-1共2根,分别绕LRB环形布置一圈,使用锁扣连接SMA-1两端如图5(a)。通过拧紧上下螺栓,实现第一批索的张拉。第二批索SMA-2共4根,在支座侧面呈直线布置。同侧的SMA-2交叉。调节SMA-2松紧程度,使其在支座自由行程为60 mm时张紧。第三批索SMA-3共4根。为解决支座上下顶板间净距过窄的问题,使用如图5(b)方式环形连接于LRB两侧。调节SMA-3的松紧程度,使其在自由行程为100 mm时张紧。图5(c)为各批索连接完成后的MSLRB。
2.2 试验工况
采用20000 kN微机控制静动态压剪试验机进行单向低周往复加载试验,见图6,将MSLRB装置放置在试验机顶部和底部加载板之间,由两个作动器分别对上下加载板施加竖直荷载和水平荷载。试验全程对MSLRB装置施加恒定6 MPa竖向荷载,水平加载使用位移控制,水平位移幅值设置50 mm、60 mm、75 mm、90 mm、100 mm、110 mm,同一位移幅值进行两次循环加载,实验数据由仪器自动采集。
对原设计的MSLRB加载时,第一批索在远未达到设计位移时断裂。根据第一批索断裂情况如图7(a),可以看到SMA-1在与U栓接触的其中一个角点发生完全断裂,其余三个角点均出现不可恢复的的弯曲挤压变形。并且在SMA-1出现弯曲变形的角点均出现SMA丝断裂情况,如图7(b)。因此SMA-1断裂原因可能是,与U型栓接触处出现弯曲挤压变形,过弯处拉力无法传递,导致有效长度降低。
并且第一批索断裂时,第二批和第三批索尚未张紧(图8)。
将第一批索拆除后,由于第二批和第三批索仍是完整的,LRB和它们的组合可以视为另一种MSLRB。因此,也对其进行了加载试验。文中将初始设计的装置称为MSLRB-1,将第一批索拆除后的装置称为MSLRB-2。
3 试验结果与力学性能分析
3.1 支座滞回曲线
通过拟静力试验得到MSLRB-1与LRB支座滞回曲线对比情况如图9所示。可以看出得益于SMA索自身的材料耗能能力,MSLRB-1具有更加饱满的滞回环、更优异的自恢复能力。此外,当水平位移较小时,MSLRB-1滞回环为典型的双线型曲线。随着水平位移逐渐增加,SMA-1进入马氏体相变阶段,支座水平刚度下降,恢复力增幅放缓。当水平位移达65 mm时,SMA-1发生断裂。
图10描绘了MSLRB-2与LRB各级加载的滞回曲线对比情况。由图可以看出,MSLRB-2显示出明显的多级抗震性能。当水平位移较小时MSLRB-2滞回曲线与LRB基本一样,呈现出标准的双线型滞回曲线。当水平位移达60 mm时SMA-2张紧,支座刚度显著增大。随后SMA-2进入马氏体相变, 水平恢复力上升幅度明显降低。当水平位移达100 mm时SMA-3张紧,支座刚度出现第二次显著增大,恢复力激增,限位能力增强。
3.2 骨架曲线
LRB、MSLRB-1、MSLRB-2三种支座骨架曲线的对比如图11所示。由图可知,与LRB相比,MSLRB-1在位移较小时已有比较大的水平恢复力;而MSLRB-2在水平位移超过60 mm后,才产生比LRB大的恢复力。这在某种程度上验证了多级设防设计理念的合理性,通过分批次张紧SMA索,来减小结构的内力响应。SMA-3张紧后,骨架曲线的刚度迅速增加。这证明在强震作用下,支座还具有较强的限位能力。
3.3 等效阻尼比
等效粘滞阻尼比
ξeq 表示为:ξeq=ΔW4πW (1) W=12QmaxXmax (2) 式中:
ΔW 表示滞回环的面积;Xmax 为最大水平正位移;Qmax 为与Xmax 相对应的水平剪力,图12描绘了三种类型支座的等效阻尼比随水平位移的变化规律。由图可知,LRB的等效阻尼比基本稳定在26.5%~30%左右,而MSLRB-1的SMA索从一开始就张紧,等效阻尼比基本稳定在20.7%~23.7%。当MSLRB-2水平位移达到60 mm时,此时SMA-2开始张紧,等效阻尼比出现下降。这与朱松晔等[12]的研究结论一致,SMA材料的加入在某种程度上会减小隔震装置的阻尼比。3.4 自恢复性能
自恢复性能是减隔震装置重要的性能指标,可以衡量减隔震系统在地震作用后产生的永久变形是否影响到结构的正常使用功能,以及震后修复难度的大小。图13描绘了三种类型支座的在不同水平位移幅值下的静态残余变形情况。可以看出,MSLRB-1支座比传统的铅芯橡胶支座有着更优良的自恢复性能,在位移幅值59 mm时,MSLRB-1与铅芯橡胶支座产生的静态残余变形分别为31.4 mm与47.7 mm。MSLRB-2支座在第二批索开始张紧时,静态残余变形开始与铅芯橡胶支座产生差异,在位移幅值为88 mm时,MSLRB-2支座与铅芯橡胶支座的静态残余变形分别为63.7 mm与70.0 mm。可见SMA材料的加入,使得铅芯橡胶支座的自恢复性能得到了可观的提升,有利于保障结构震后的正常使用功能、方便结构震后修复。
3.5 改进减震装置试验
由于SMA-1提前断裂,不符合出三阶段设防理念,对MSLRB装置进行改进。根据MSLRB装置设计理念,应配置足够长的SMA-1。在水平位移较大的情况下,环形布置不利于SMA索的拉力传递,减少其有效长度,而试验证明,将索两端弯曲成环并通过U栓跟钢板铰接,是简单且可靠的连接方式。故通过加长上下钢板,使用铰接的方式连接SMA-1,对设计方案进行改进,并制作改良MSLRB试件,如图14。
本次试验加载频率0.01 Hz、竖向荷载9 MPa下所得MSLRB与LRB滞回曲线对比如图15所示,展现出两组饱满的滞回环。可以看到由于SMA-1索从试验开始已经张紧,MSLRB的恢复力从一开始便大于LRB,但是两者恢复力与耗能能力差别不大。随后当水平位移到达60 mm时,SMA-2开张紧,MSLRB刚度突变式增加。紧接着在水平位移达90 mm时,第三批索开始张紧,此时SMA-2、SMA-3也相继进入材料的马氏体硬化阶段,MSLRB刚度再次突变式增大,并且刚度增加的幅度明显大于前两批索张紧时的状态。可见仅在大位移的条件下MSLRB恢复力明显大于LRB,展示出MSLRB多级设防的性能优势。
图16展现了改良MSLRB与LRB的等效阻尼比对比情况,同样明显地看到,传统LRB支座在不同水平荷载作用下,阻尼比稳定在26%~31%。SMA材料的加入,特别在水平位移达60 mm,第二批SMA索完全张紧时,会降低支座的等效阻尼比。
从图17可以看到,只有少量的SMA张紧时,MSLRB的自恢复性能与LRB差别不大。随着SMA索的张紧,MSLRB展现出越加优异的自恢复性能,水平位移达100 mm时,相同加载工况下,MSLRB的残余变形为57.9 mm;LRB为71.6 mm,分别恢复了43.1%与28.4%。说明SMA材料的加入可以明显增加支座的自恢复性能,并且参与受力的SMA索越多,支座的自恢复能力越强。
4 数值模拟对比分析
采用OpenSees软件,建立MSLRB有限元模型。其中,LRB采用ElastomericBearingPlasticity单元模拟;SMA索采用DispBeamColumn单元和SelfCentering材料模拟。SMA材料特征参数选取本课题组试验数据[13],见表3。
表 3 SMA材料性能参数Table 3. Parameters of SMA特征参数 取值/MPa 特征参数 取值 σMs 361.3 εMs 0.016 σMf 572.1 εMf 0.070 σAs 360.4 εAs 0.061 σAf 149.6 εAf 0.007 支座上下钢板使用刚臂模拟。假定发生水平位移时,支座高度保持不变。对于环形布置的第一批和第三批SMA索,采用直线索单元模拟。模拟准则为,在同一位移处,根据有效长度与实际长度的比值换算刚度。SMA索单元几何形状以其刚张紧时形状为准。在每根SMA索底部与刚性单元连接处添加相应的zeroLength单元,以实现各批SMA索先后张紧的效果。
以改良MSLRB试验为例,选取中5级水平位移幅值进行试验与仿真的对比,得MSLRB改良装置试验和有限元模拟的滞回曲线对比情况如图18。
可以看到,该工况下各级水平位移的试验结果和模拟结果具有良好的吻合度,滞回曲线加载段与卸载段的数值吻合良好,都能很好的体现三批SMA索依次张紧的效果。
如前所述,MSLRB-1的第一批索在远未达到设计位移时断裂。为分析其较早断裂的原因,根据SMA-1完全滑动与完全不滑动两种连接状态,建立两个MSLRB-1有限元模型。以SMA-1达7%的极限应变为准,对两个模型进行往复的位移加载以确定其在断裂时所处的状态。两个模型往复加载的模拟结果与试验结果对比如图19。
开始时,试验所测水平力均略低于两组模拟数据,这是因为第一批索使用的锁扣连接及转角处的SMA索发生了局部挤压变形。由图可知,在MSLRB-1试验中,SMA-1断裂时的水平位移介于其完全滑动和完全不滑动两者之间。这表明环形布置的SMA索并不能像国内外学者所设想的完全滑动,对于这类索的布置方式需要进一步探讨。
5 结论
多级设防SMA减震装置将传统的铅芯橡胶支座与拉伸性能优异的SMA索相结合,通过开展拟静力试验,研究分析了MSLRB的滞回特性,结果表明:
(1)将SMA索端部成环并使用铝套固定是一种可靠的连接方式,但是环形布置的SMA索在转角处难以发生滑动,环形设置的可行性需要进一步研究。
(2)相对于LRB,多级设防SMA减震装置恢复力曲线更加饱满,具有更好的耗能能力、自复位能力与限位能力。
(3)通过试验验证了MSLRB具有多级设防的优点,可以满足桥梁在不同地震水准作用下的不同性能要求。
(4)对MSLRB进行优化,保证第一批索的有效长度,可以使多级设防的可行性进一步增加。
-
表 1 铅芯橡胶支座设计参数
Table 1 Parameters of LRB
项目 参数 项目 参数 支座直径/mm 420 第一形状系数 15 支座高度/mm 169 第二形状系数 4.3 铅芯直径/mm 49 屈服力/kN 61 橡胶层/mm 6.66×14=93.25 屈服后水平刚度/(kN/mm) 1 加劲钢板层/mm 2.75×13=33.75 剪切模量/MPa 1 表 2 各批SMA索布置参数
Table 2 Parameters of each type of SMA cables
组件 自由行程/mm 布置方式 计算长度/mm 第一批SMA 0 环形布置 2413 第二批SMA 60 直线布置 602 第三批SMA 100 环形布置 254 表 3 SMA材料性能参数
Table 3 Parameters of SMA
特征参数 取值/MPa 特征参数 取值 σMs 361.3 εMs 0.016 σMf 572.1 εMf 0.070 σAs 360.4 εAs 0.061 σAf 149.6 εAf 0.007 -
[1] 杜修力, 韩强. 桥梁抗震研究若干进展[J]. 地震工程与工程振动, 2014, 34(4): 1 − 14. Du Xiuli, Han Qiang. Research progress on seismic design of bridges [J]. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics, 2014, 34(4): 1 − 14. (in Chinese)
[2] 胡淑军, 顾琦, 姜国青, 熊进刚. 一种新型自复位SMA支撑的抗震性能试验研究[J]. 工程力学, 2021, 38(1): 109 − 118, 142. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0087 Hu Shujun, Gu Qi, Jiang Guoqing, Xiong Jingang. Experimental study on seismic performance for an innovative self-centering SMA brace [J]. Engineering Mechanics, 2021, 38(1): 109 − 118, 142. (in Chinese) doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0087
[3] 黄宙, 李宏男, 付兴. 自复位放大位移型SMA阻尼器优化设计方法研究[J]. 工程力学, 2019, 36(6): 202 − 210. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.05.0287 Huang Zhou, Li Hongnan, Fu Xing. Optimum design of a re-centering deformation-amplified SMA damper. Engineering Mechanics [J]. Engineering Mechanics, 2019, 36(6): 202 − 210. (in Chinese) doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.05.0287
[4] Clark P W, Aiken I D, Kelly J M. Experimental and analytical studies of shape-memory alloy dampers for structural control [J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 1995, 2445: 241 − 251.
[5] 李忠献, 陈海泉, 刘建涛. 应用SMA复合橡胶支座的桥梁隔震[J]. 地震工程与工程振动, 2002(2): 144 − 149. Li Zhongxian, Chen Haiquan, Liu Jiantao. Bridge isolation with SMA-composite rubber bearing [J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2002(2): 144 − 149. (in Chinese)
[6] 庄鹏, 薛素铎, 韩淼. SMA弹簧—摩擦支座的滞回性能研究[J]. 振动与冲击, 2016(35): 94 − 100. Zhuang Peng, Xue Suduo, Han Miao. Hysteretic performance of a SMA spring-friction bearing [J]. Journal of Vibration and Shock, 2016(35): 94 − 100. (in Chinese)
[7] 庄鹏, 徐蒙, 孙仕琦. 新型球面滑动隔震支座的力学性能试验研究[J]. 建筑技术开发, 2020, 47(9): 130 − 133. doi: 10.3969/j.issn.1001-523X.2020.09.065 Zhuang Peng, Xu Meng, Sun Shiqi. Experimental study on mechanical performance of a new type of spherical sliding isolator [J]. Building Technology Development, 2020, 47(9): 130 − 133. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-523X.2020.09.065
[8] 刘海卿, 王学庆, 刘嘉. SMA绞线-叠层橡胶复合支座振动台试验研究[J]. 地震工程与工程振动, 2008, 28(3): 152 − 156. Liu Haiqing, Wang Xueqing, Liu Jia. The shaking table test of an SMA strands -composite bearing [J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2008, 28(3): 152 − 156. (in Chinese)
[9] 刘海卿, 牟善鑫, 王锦力. 多遇地震下SMA-叠层橡胶支座力学性能模拟[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版), 2017(4): 381 − 386. Liu Haiqing, Mu Shanxin, Wang Jinli. Simulation analysis of mechanical properties for SMA- laminated rubber bearing under multi event earthquake [J]. Journal of Liaoning Technical University (Natural Science), 2017(4): 381 − 386. (in Chinese)
[10] Cao S, Ozbulut O E, Wu S. Multi-level SMA/lead rubber bearing isolation system for seismic protection of bridges [J]. Smart Materials and Structures, 2020, 29(5): 1 − 18.
[11] JT/T 822−2011, 公路桥梁铅芯隔震橡胶支座[S]. 北京: 中华人民共和国交通运输部, 2011. JT/T 822−2011, Lead rubber bearing isolator for highway bridge [S]. Beijing: Ministry of Transport of the People's Republic of China, 2011. (in Chinese)
[12] Wang B, Zhu S, Casciati F. Experimental study of novel self-centering seismic base isolators incorporating superelastic shape memory alloys [J]. Journal of Structural Engineering, 2020, 146(7): 04020129.
[13] 曹飒飒, 伍隋文, 孙卓. 梁桥多级设防SMA减震装置[J]. 振动与冲击, 2019, 38(24): 209 − 217. Cao Sasa, Wu Suiwen, Sun Zhuo. A multi-level performance SMA-based isolation system in girder bridges [J]. Journal of Vibration and Shock, 2019, 38(24): 209 − 217. (in Chinese)