【摘 要】
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本文研究桥梁支座使用的氯丁橡胶材料的超弹性、黏弹性和黏超弹性本构模型,分析材料的热流变特性、预应变效应和Payne,建立黏弹性本构模型。利用黏弹性本构模型对支座的静、动态黏弹性性能进行参数分析,得到不同影响因素下的蠕变、能耗等变化规律,为设计提供相关思路。主要研究工作与结果概述如下。1.从橡胶材料的静态角度出发,对橡胶进行单轴拉伸、压缩和蠕变试验,通过对试验数据的理论分析对本构模型进行研究。首先利
【基金项目】
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国家自然科学基金:动态载荷作用下填充橡胶的力-热-老化耦合行为与疲劳寿命分析(11572275);
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本文研究桥梁支座使用的氯丁橡胶材料的超弹性、黏弹性和黏超弹性本构模型,分析材料的热流变特性、预应变效应和Payne,建立黏弹性本构模型。利用黏弹性本构模型对支座的静、动态黏弹性性能进行参数分析,得到不同影响因素下的蠕变、能耗等变化规律,为设计提供相关思路。主要研究工作与结果概述如下。1.从橡胶材料的静态角度出发,对橡胶进行单轴拉伸、压缩和蠕变试验,通过对试验数据的理论分析对本构模型进行研究。首先利用单轴拉伸和单轴压缩试验结果,对几种超弹性模型的拟合结果进行对比,选取合适的超弹性模型;其次,利用应力加速原理进行蠕变试验,得到长时间的蠕变曲线,并由有限元软件得到松弛模量和松弛时间参数;最后,将超弹性模型和黏弹性模型结合,对压缩蠕变、松弛进行有限元分析,通过与试验数据的对比,验证本构模型的可行性。2.从橡胶的动态黏弹性角度出发,对橡胶材料进行温度扫描和频率扫描DMA测试,研究橡胶的黏弹性本构模型。试验结果表明,不同温度下的储存模量和损耗模量可沿着频率轴平移构建成一条光滑曲线,说明了材料的热流便简单性,并通过WLF方程给出了对应的位移因子;利用广义Maxwell模型(n=15)对储存模量和损耗模量的主曲线进行拟合,得到了线性黏弹性本构模型;将所得到的本构模型代入有限元软件,对压缩频率扫描进行建模分析,计算结果与试验结果接近,表明模型的实用性。3.研究了橡胶的预应变效应。首先,对橡胶材料在不同预应变作用下进行了频率扫描测试,得到储存模量、损耗模量随预应变的变化关系;其次,基于有限变形理论,提出了包含预应变效应的本构模型,利用该本构模型对储存模量和损耗模量进行拟合,获取了相应的本构模型参数;最后,对不同预应变的动态压缩试件进行参数分析,计算结果与试验结果相差不大,证明了该本构模型可以较好地反应预应变效应。4.研究了橡胶的Payne效应。对橡胶在不同应变幅值下进行频率扫描和温度扫描,由滞回曲线面积与损耗模量之间的关系,建立的经验表达式所得到的不同动应变幅值下的损耗模量,与损耗模量的试验数据比较,具有很好的一致性。采用相似的经验公式表达式,对储存模量进行预测,预测结果同样具有较高精度。由此可见所提出的经验公式表达式简单,对预测不同应变幅值下的动模量(储存模量和损耗模量)具有一定的准确性。5.对橡胶支座进行静态黏弹性力学分析。静态黏弹性性能主要体现在蠕变上。本文从应力、时间、支座几何尺寸(橡胶层厚度和直径)三个角度出发,研究各参数对蠕变的影响。建立了包含这4个参数的抗压弹性模量的表达式,可用于后续支座的设计计算。6.对橡胶支座进行动态黏弹性分析。分别对压缩和剪切的动态黏弹性性能进行研究。分别考虑了频率、预应变(预压力)和位移幅值三个影响因素,得到了各个影响因素下的等效刚度和等效阻尼比,对等效刚度和等效阻尼比进行参数回归,得到两者关于各参数的拟合方程。7.结合前文支座静、动态分析结果与各参数的表达式,对一座5×30m后张法预应力混凝土连续T梁所使用的橡胶支座为算例进行设计与选取。
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