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原文传递可浇筑型聚氨酯高承载力桥梁隔震支座力学性能及其应用研究

论文题名：	可浇筑型聚氨酯高承载力桥梁隔震支座力学性能及其应用研究
关键词：	桥梁;组合式隔震方法;叠层弹性体支座;高承载力支座;改性聚氨酯;流变体剪切本构
摘要：	通过数十年的发展，叠层橡胶支座已经发展成为目前广泛应用的隔震装置，但是还面临着水平耗能少、竖向面压低及超大规格支座质量难以控制等难点。随着隔震技术在高层、大跨度等大型工程结构中的应用推广，迫切需要研发具有竖向承载能力强、水平耗能高及质量可控的隔震装置。本研究通过NCO-硬段质量含量调节和引入软段HTPP分子嵌段的两种技术手段，研发了具有剪切模量高、极限变形能力强的阻尼型改性可浇筑聚氨酯弹性体（CastingPolyurethaneElastomer-CPUE）材料。在此基础上研究了材料力学性能与成型工艺，进一步研制了可浇筑型高承载力叠层隔震支座，并通过试验对其基本力学性能进行了系统研究，建立了精确的剪切本构模型，探讨了该支座在桥梁隔震中的应用方法。　　本文围绕CPUE材料的改性技术与材料力学性能、高承载力叠层隔震支座的力学性能与模型、桥梁隔震应用方法等三个方面展开。材料性能方面研究包括：基本合成与改进方法、力学性能和耐天候性能；支座力学性能研究主要包括：竖向承载性能、水平变形性能、摩擦性能、耐久性能和极限承载破坏；桥梁隔震设计方面：针对支座屈服后刚度较大和材料的耐磨特性提出摩擦滑移与水平剪切组合隔震方式。本研究工作跨越材料化学和土木工程两个学科，所取得的主要研究成果包含以下四个方面：　　（1）针对不同配方的CPUE材料进行力学与耐天候性能研究，研究NCO-含量调节技术和小分子HTPP嵌段技术对CPUE材料的拉伸、剪切、抗剥离性能的影响；对比两种改进方式对耐热空气老化、耐湿热老化及耐紫外线性能的影响。结果表明：采用HTPP小分子嵌段技术和降低NCO-含量均能有效提高的材料变形能力，但是HTPP小分子嵌段技术提升的更加明显，且对材料耐天候性的影响更小。　　（2）通过对28个高承载力支座的力学性能进行试验研究，确定了支座成型工艺，研究了压缩模量、剪切模量、阻尼比等参数在日常服役承载性能、强震下剪切变形与耗能性能及耐久性能三种情况下的变化规律。根据隔震参数与极限破坏形态的分析研究表明，改进后TPMH体系的CPUE支座，可满足现有桥梁支座规范要求，剪切变形可以超过300%，零侧向位移下竖向承载能力可以达到210MPa。　　（3）CPUE材料具有软硬段微相分离和强速率相关性特点，进一步提出带摩擦单元的流变体剪切本构模型，通过多步松弛、单步松弛及瞬时剪切等试验，确定材料本构模型参数。针对材料的应力软化特点，基于流变体剪切模型提出应力软化修正模型，通过损伤因子和温度软化修正实现多圈滞回模拟。并通过数值仿真结果与试验结果对比，验证了该模型的精确性。　　（4）基于CPUE的耐磨性能与剪切变形能力，提出高承载力支座在桥梁隔震应用中的滑移组合式隔震方法。将滑移组合式隔震方案与抗震方案和铅芯隔震方案进行对比，研究结果表明：滑移组合式隔震相比于抗震方案，可以有效的降低桥墩弯矩，使其保持弹性阶段；相比于铅芯隔震体系，在远场地震中可取得相近的隔震效果，在近场脉冲地震下可以有效的控制上部桥面位移。综上所述：新型组合隔震方式通过合理的设计可实现良好的隔震效果。
作者：	王思启
专业：	结构工程
导师：	袁涌
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2021