可降低桥梁结构振动的钢支座应用分析

张 力

（上海通亿橡塑制品有限公司，上海 201705）

钢支座是广泛使用于国内外桥梁工程、工业与民用建筑的一种结构支承，是由结构钢制作的支座，其他一些附件则采用复合材料、橡胶以及聚四氟乙烯等制作。钢结构支座具有承载力大、构造简单、适应性好以及安装方便等优点，因此广泛应用于桥梁和建筑工程。

1 研究现状

我国在20世纪80年代中后期，开始广泛将钢支座应用于桥梁等结构工程，并于1990年制定了第一部盆式支座的设计、生产和使用的技术标准，后又经过多次修订形成了目前在用的《公路桥梁盆式支座》（JT/T 391—2009）。此后，2000年制定了第一部球形支座的设计、生产和使用的技术标准，后经过多次修订形成了目前在用的《球形支座》标准，为规范和大面积使用钢支座奠定了基础。桥梁钢支座实物如图1所示。

图1 桥梁钢支座实物

目前，我国公路、市政以及高架桥等大型工程上采用T梁、箱梁等结构居多。这类桥梁结构采用钢支座最合理和方便。虽然在这类桥梁结构中使用钢支座具有很多优越性，但也在使用过程中发现了一些问题，主要表现为桥梁运营过程中桥梁结构的振动幅度及结构的噪声较大。

2 新型钢支座结构设计

橡胶材料是最早也是使用最广泛的减震材料，具有隔振降噪的特点，广泛应用于各种结构、构筑物及机械设备、运输设备及构筑物，能够最大程度减小机械噪声、振动以及冲击带来的负面影响，起到一定的缓冲作用[1]。我国的工程技术人员在20世纪七八十年代就做过有益的尝试。据《桥梁支座》介绍，沈阳铁路局曾分别对采用钢支座和橡胶支座的两座钢桥进行动力性能对比测试。测试结果表明，橡胶材料填充的支座对振动和冲击具有缓冲作用，梁的动挠度和动应力在橡胶阻尼作用下减小了大约30%[2]，极大地降低了动荷载对桥梁和墩台的冲击作用。基于橡胶材料良好的隔振性能，本文提出了一种新型钢支座结构。通过优化传统桥梁结构钢支座的结构形式，充分发挥橡胶材料的减震性能，更好地实现桥梁结构减振和降噪的需求。

如图2所示，一种可降低桥梁结构噪声和振动的钢支座由普通钢支座1、橡胶垫板2和钢盖板3组成。普通钢支座1上均匀分布有若干凹槽，所述钢盖板3上设有若干个凸块。钢盖板3的凸块与普通钢支座1的凹槽的结构相匹配，钢盖板3的凸块插入普通钢支座1的凹槽内。钢盖板3的凸块与普通钢支座1的凹槽之间的间隙处设有橡胶垫板2，普通钢支座1与钢盖板3通过螺栓连接。普通钢支座1位于钢盖板3上方或下方。钢盖板3与普通钢支座1（顶板或底板）之间留有一定的间隙，未直接接触。它们之间力的传递通过凸块与橡胶垫板2的接触实现。这个橡胶垫板2在普通钢支座1和钢盖板3之间形成了一个缓冲、隔离层，可以有效降低或吸收从上部结构传下来的振动和冲击，达到降噪减震的目的。

图2 新型钢支座结构简图

普通钢支座1的凹槽形状可以是碗状、蜂窝状、圆形或矩形中的任一种。普通钢支座1又可以分为球形钢支座、盆式支座、柱面支座、盘式支座以及摩擦摆式隔振支座等。普通钢支座1为圆形或矩形结构，是具有一定厚度的钢制品。橡胶垫板2采用动静比较小的橡胶材料垫板。所述橡胶垫板2镶嵌于凹槽，起着隔离普通钢支座1和钢盖板3的作用。根据图2的方案设计图，建立新型桥梁结构钢支座的三维模型，如图3所示。

图3 新型钢支座结构三维模型

3 仿真分析

3.1 有限元模型建立

针对第2节中提出的一种新型钢支座结构，1:1设计三维模型，应用ANSYS有限元分析软件进行该钢支座在极限载荷下的应力应变情况仿真分析。有限元网格模型划分，如图4所示。

图4 有限元网格模型

3.2 极限载荷工况应力和应变分析

桥梁结构行业规范要求，模拟实况需要对上连接板顶面施加竖向压缩荷载，从0至设计最大承载力Pmax逐渐增大进行加载，取Pmax=3 500 kN，共循环3次。仿真模拟载荷布置图、结构整体应力云图和结构整体应变云图，结果分别如图5、图6和图7所示。

可见，新型钢支座整体应力极值为125.838 MPa，极值点出现在顶部盖板与连接支撑垫的交界处。此处因为截面大小发生突变，分析定性为应力集中造成，但仍然远小于钢板的屈服强度极限310 MPa。从强度角度上来说，该结构设计满足要求。新型钢支座整体应力极值为94.521 mm，出现在橡胶减震垫上。因为橡胶材料为非线性材料，弹性模量本身很小，认为出现应力极值为材料本身特性导致。整体橡胶材质尺寸为400 mm，压缩量不足1/4，符合要求，证明其具有较高的减震能力，在压缩方面具有可靠的安全性保障。橡胶减震垫的压缩量取决于载荷和材质硬度的共同影响。若想充分吸收振动，建议使用材质更软的橡胶。若是考虑形变量不宜过大，则建议选用材质偏硬的橡胶。

图5 模拟3 500 kN载荷布置

图6 3 500 kN荷载作用下新型减振支座应力云图

图7 3 500 kN荷载作用下新型减振支座应变云图

4 减振参数分析

4.1 阻尼分析

阻尼决定了支座的减振效果，而减振阻尼又受制于材料本身。利用ANSYS Workbench有限元仿真软件对新型结构支座进行阻尼分析。先在静力分析步中将2 600 kN竖向荷载施加于该支座，后在动力分析步中将特定荷载幅值及频率正弦波激励施加于该支座，表达式为：

式中：∆W表示滞回曲线的面积；竖向动刚度为竖向力的最大值，F1为竖向力的最小值；X2和X1分别为位移的最大值和最小值[3]。加载频率对于阻尼比的影响较大，取加载频率为20～100 Hz，荷载幅值取800 kN，如图9和图10所示[4-5]。加载频率不断递增，影响竖向的减振阻尼比会随之递增。可知，在已经确定了桥梁支座模型参数的条件下，将减振阻尼比控制在3%左右，能够满足桥梁支座的减振要求。

图8 不同载荷频率下竖向滞回曲线

图9 不同载荷频率下减振阻尼比

5 结论

本文提出了一种能够降低桥梁结构振动的组合型式新型钢支座，能够有效降低桥梁结构的振动幅度，解决桥梁运营过程中的结构振动问题。这种新型组合式钢支座不仅能够应用于市政、公路以及所有的桥梁结构，而且能应用于城市轨道交通系统工程及其他各种建筑结构，具有很强的普适性。本文对新型钢支座的结构进行精细化设计，并通过有限元模拟与数值分析验证了该方案的可行性，研究了新型减振支座的力学性能，得到结论如下：

（1）通过分析各组成部分的受力，发现新型阻尼支座的压缩性能和极限抗剪性能都能满足安全应用的要求，保证了高架桥具有一定的承载能力；

（2）新型减振钢支座的竖向刚度比较小，竖向减振阻尼比随着加载频率的递增而递增，能够满足桥梁支座的减振要求。