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橡胶

一中等跨径连续梁桥使用板式支座和盆式支座对比

板式支座和盆式支座对比

一中等跨径连续梁桥使用板式支座和盆式支座对比,建立了橡胶支座的滞回特性曲线以及全桥非线性动力分析 模型.从太平洋地震工程研究中心(PEER)强震数据库中选取100条地震波,进行了一 系列非线性时程分析,得到了橡胶支座的位移反应.根据基于性能的抗震设计思想和地震易损 性分析理论,提出了板式橡胶支座4种不同损伤状态损伤指标的确定方法,并由此拟合了谱加 速度与支座相对位移延性比之间的关系.基于传统可靠度概率方法,建立了橡胶支座的易损性 曲线. 分析结果表明,支座在地震作用下的易损性较其他构件更严重,且桥台支座比桥墩支座 更容易遭受损坏;

增加支座橡胶层厚度或改用聚四氟乙烯滑板支座能很好地改善桥台支座的抗 震性能板式橡胶支座是连接桥梁上部结构和下部结构 的重要构件, 主要起到传递上部结构反力和承 受水平变形的作用,以其造价经济、构造简单、受力合理等优点,在桥梁工程中得到广泛的应 用,特别适合于 中小跨径梁式桥. 地震反应中,板式橡胶支座可以起到延长结构周期、增加 结构阻尼的作用,从而可以有 效地减小桥墩所受的地震荷载、达到满足桥梁隔震的要求,因此 在桥梁隔震设计方面也应用广泛.但国 内外很多学者研究表明, 梁式桥采用这种支座时地震 变形主要集中在支座位置,导致梁体与墩、台之间 相对位移过大[1]、支座极易遭受破坏[ 2] .近几年的多次大地震震害调查也进一步显示橡胶支座遭受地震破坏的现象十分普遍. 《城市桥梁抗震设计规范》(征求意见稿)中提出的桥梁抗震体系之一就是利用支座等连接构 件的耗能来使上部结构、桥墩和基础处于弹性状态,对桥梁支座的抗震性能提出了更高的要求 . 基于此,为了详细研究橡胶支座的抗震性能,本文以某实际桥梁为工程背景,在考虑橡胶支 座受力特性的基础上,

建立了精确的非线性动力分析模型;以基于性能的抗震设计思想为指导 ,提出了一种基于位移破坏准则的橡胶支座损伤指标确定方法,采 用传统可靠度概率分析方法 [3] ,分析橡胶支座变形需求 与能力之间的关系, 形成了橡胶支座在不同损伤状态下的易损性 曲线,从易损性的角度对橡胶支座的抗震性能进行评估. 1 橡胶支座受力特性 桥梁减隔震设 计的要求不同,选用的支座类型 也会不一样,不同类型的支座在地震作用下表现出不同的受力 特性.由于支座水平刚度对桥梁主体结 构地震响应影响较大[4] ,且本文主要采用纵向地 震波输入方法,研究桥梁结构沿纵桥向的地震易损性,故这里主要讨论橡胶支座水平方向的力 学性能.1.1 板式橡胶支座 大量试验结果表明,板式橡胶支座叠层橡胶内部的薄钢板对橡 胶横向变形的约束作用,能大大提高支座的竖向刚度,但并不影响橡胶层的剪切变形刚度,其 剪力-位移滞回曲线呈狭长形,可近似作线 性处理[5]

如图1所示.本文不考虑板式橡 胶支座与 墩顶或梁底之间可能产生的滑动. F(x)=Kx. (1 )式中:F为支座剪切 力;x为橡胶支座的相对位移;K为支座的剪切刚度,按最新《公路桥梁抗震设计细则》[6] 的 规定计算. 图1 板式橡胶支座线性模型 Fig.1 Linear model of laminat ed rubber bearing 1.2 聚四氟滑板橡胶支座 聚四氟滑板橡胶支座是以聚 四氟乙烯板和不锈钢板作为支座的相对滑动面来隔离墩台与梁底,从而减小下部结构的地震响 应,达到隔震的目的.这种支座已经在桥梁工程中使用了40多年,国内外学者对其摩擦因数 和滞回性能做了大量试验研究,研究表明聚四氟乙烯板与不锈钢板之间的摩擦系数通常 低于0 .08,涂有润滑剂时约为0.01~0.03[7] .本文使用恢复力模型如图2所示. 图2 滑板支座恢复力模型 Fig.2 Restoring force model o f PTFEsliding rubber bearingFmax=μ N.(2)式中: Fmax为临界摩擦力;μ为滑动摩擦因数; N为支座承受的压力;图中xy为临界位移,表 示支座橡胶层的最大剪切变形;K为支座剪切刚度,本文中按计算板式橡胶支座剪切刚度的方 法计算. 2 橡胶支座损伤指标的确定 叠层橡胶支座的橡胶层在地震作用下表现出很 好的柔 性,能产生一定的剪切变形,起到延长结构周期和耗能的作用.

然而,过大的剪切变形会导致橡胶支座发生剪切破坏,普通橡胶材料的剪切破坏应变可达400%~500%, 从安全性考虑, 支座的容许剪切应变γa需计入安全系数, 按下式计算[2] :γa= umax ∑ t.(3 )式中:umax为地震作用下容许的最大支座相对位移; γa为容许剪切应变 , 根据内力组合形式不同取不同的值,正常使用状态γa=70%,中小地震时γa=150 %,大地震时γa= 250%;∑t为支座橡胶层的2 第11期 李立峰等:板式橡胶支座地震易损性分析 总厚度. 中国抗震规范[6] 明确规定 板式橡胶支座在不同水平地震作用下需要进行支座厚度的验算: ∑t=XE tanλ .(4 )式中:XE为支座在不同作用效应组合下的相对位 移;tanλ为橡胶片剪切 角正切值,取tanλ=1. 中国抗震规范[6] 还规定了不同水平的地震作用下橡胶型减 隔震支座的延性水平:在E1地震作用 下产生的剪切应变应小于100%;

在E2地震作用下 产生的剪切应变应小于250%. 基于性能抗震设计方法强调结构在不同强度水平的地震作用 下应该有不同的性能目标,对应不同的损伤状态.本文根据中国规范对地震作用下支座允许相 对位移的具体规定,并参考国外一些规范规 定和桥墩变形破坏准则[7] ,用相对位移延性 比定义 了板式橡胶支座的4种损伤状态.支座相对位移延 性比的定义:各极限状态支座允许 相对位移与剪切应变等于100%时的支座相对位移之比.板式橡胶支座各损伤状态的描述及 其相对位移延性比判别准则见表1. 表1 支座损伤状态相对位移延性比 Tab.1 Dis placement ductility ratio correspondingto d amage status of bearing 序号损伤状态状态描述 损伤指标 1无损伤支座相对位移较小,容许剪切应变小于100% μ z< μ 12中等损伤支座相对位移较大,容许剪 切应变小于150%μ 1≤μz<μx3严重损伤支座相对位移很大,容许剪 切应变小于2 50%μ x≤μz<μu4 完全破坏 容许 剪切应变大于 250% ,支座失效 μ z≥μ u

注:μz为支座在地震作用下的相对位 移延性比;μ 1为支座剪切应变等于100%时的相对位移延性比,故通常取μ1=1;μ x为支座剪切应变等于150%时的相对位移延性比;μu为支座剪切应变等于250%时的 相对位移延性比. 一般而言,地震作用下支座的位移响应可以用支座上下表面之间的相对位移 Δz来表示,则支座相对位移延性比定义支座的损伤状态用下式表示: μz=Δz/Δ1.( 5)式中:Δz为地震作用下支座最大相对位移;Δ1为支座剪切应变等于100%时的相对 位移. 3 支座易损性曲线 3.1 算 例 某多跨混凝土连续梁桥,跨径布置5m×30m ( 见图3),墩高13m,主梁采用C50混凝土, 主墩采用C40混凝土,截面形式为1.6 m×1.6m的实心混凝土方柱,纵向钢筋和箍筋都采用HRB335钢 筋,纵向配筋率为0 .8%,配箍率0.35%. 全桥均采用板式橡胶支座:桥台GJZ400mm×550mm ×99mm,橡胶层厚度t=71mm;桥墩GJZ550mm×600mm×130mm, 橡胶层厚度t=95mm.地质条件为Ⅱ类场地. 图3 桥梁结构示意图(单位:m) Fig.3 Bridge structure di ag ram(unit:m)3.2 计算模型 采用SAP2000软件建立桥梁有限元动力 分析模型并对结构进行非线性时程分析.桥台和桥墩支 座的水平剪切刚度按抗震规范[6] 计算为Ka=7 434kN/m,Kp=8 337kN/m.在地震作用下上部结构进入塑 性的可能性较小,实际震害调查分析也发现主梁基本不会被破坏,故主梁采用弹性梁单元模拟 .墩柱由于要承受巨大的地震力,抗震规范中允许桥 墩在强震作用下形成塑性铰,故墩柱采用 弹塑性纤维梁柱单元模拟.

地震波输入 通常采用传统可靠度概率分析方法得出结构的 易损性曲线,需要进行大量的非线性时程分析.选取合适的地震波是保证非线性时程分析准确 性的前 提,峰值加速度、频谱特性和持续时间是地震波的三要素. 本文根据桥梁场地类型条 件,排除近场地震记录高能量速度脉冲的影响,从美国太平洋地震工程研究中心(PEER) 强震数据库中选取了100条地震波.选波时使PGA的分布尽量广泛,100条地震波的P GA分布如图4所示,100条地震波的反应谱图如图5所示. PGA/g 图4 100条地震波的PGA分布 Fig.4 PGA distribut ion of 100earthq uake records3 湖南大学学报(自然科学版)2011年 周期T/s 图5 100条地震波的反应谱图(ξ=0. 05)Fig.5 Respon se spectrum of 100earthq uake records3.4 板式橡 胶支座易损性分析3.4.1 易损性原理 结构的地震易损性是指在可能遭受的各种强度地震 作用下,结构发生某种程度破坏的概率,可用下式表示: Pf=P D ≥[ ]C IM.(6)式中:IM为地震动参数(PGA/SA);C为结构或构件能力( Capacity) ;DI为结构或构件损伤指标,对应结构或构件需求(Damage I ndex,Demand).桥梁工程中常用易损性曲线来描述结构在地震作用下的易损性. 易损性曲线通常以地震动强度指标为横坐标,以结构反应超过规定损伤状态的概率为纵坐标. 桥墩易损性不是本文的研究重点,因此下文中主要介绍支座易损性曲线的形成过程,并直接给 出墩柱易损性曲线. 3.4.2 支座易损性曲线 根据Hwang等[3] ,Shinoz uka等[8],Choi[9]的研究

地震作用下结构需求概率分布可以用对数正态分布 函数表示: μd=ln(珘μd,β d).(7 )式中:珘μd为支座变形需求的平均值; βd为支座变形需求的对数标准差,它们都可以通过结构地震响应结果的回归分析得到.研究 表明,采用结构基本周期Ts对应的谱加速度SA作为地震动参数时, 回归分析结果较好[3 ] ,故本文采用SA作自变量.经过一系列非线性时程分析后取各支座位移延性比μ和谱加 速度SA进行对数回归分析,回归结果如图6所示.由图6可知,支座地震变形需求可分别用 以下 两式表示: 墩支座:ln(μ d)=0.918 5+1.222 1ln(SA),( 8)台支座:ln(μ d)=0.942 4+2.061 5ln(SA).(9)与支座变 形需求相对应,支座剪切变形能力的 概率分布也可以用一个对数正态分布函数表示: μc= ln(珘μc,βc).(10)式中:珘μc为支座剪切变形能力的平均值;βc为支座剪 切变形能力的对数标准差.支座剪切变形能力平均值可取上一节中确定的支座各损伤状态的相 对位 移延性比来表示, 如表2所示.ln(SA) (a )桥墩支座ln(SA)(b )桥台支座图6 支座位移延性比对数回归分析 Fig.6 Lo garithmic regression analy sisof bearing duc tility ratio表2 位移延性比对应的支座能力平均值 Tab.2 Mean va lues of bearing ability correspondingto dis placement ductility ratios位移延性比 支座变形能力平均值 μ 11.0μx1.5μ u2.5 支座变形需求μd超过变形能力μc的概率函数 可用传统可靠度理论方法来建立 : Pf=Pμc μd≤()1=Plnμc μ ()d≥() 0.(11)由于支座变形需求和变形能力的概率分布均服从对数正态分布 ,可进一步转化为标准正态分布形式: Pf=Φ-ln(珘μc珘 μ d)/ β2c+β2槡( ) d.(12)式(11)(12)联合式(8)(9) 可得墩、台支座 在不同损伤状态的失效概率为: Pf=Φln(2.506(SA)1.222 1/珘μ c) β 2c+β2槡()d ,(13)Pf=Φ ln(2.566(SA)2.061 5/珘μ c) β 2 c +β 2 槡() d . (14 )4第11期 李立峰等:板式橡胶支座地震易损性分析 根据文献[10],以谱加速度SA作为 自变量时, 可取 β2c+β 2槡d=0.4,相应不同破坏状态的珘μc取表2中的能力均值.由式(13) (14) 可计算墩、台支座在不同损伤状态的超越概率. 以往的研究[3] 在确定墩柱损伤 指标时常定义成 5种损伤状态, 为便于后文的分析,本文对于墩柱的损伤状态分别降低一个级别再与支座比较.3种损伤状态下支座和桥墩的易损性曲线比较见图7. 谱 加速度SA/g(a )中等损伤状态的比较谱加速度SA/g (b )严重损伤状态的比较谱加速度SA/g(c )完全破坏状态的比较图7 支 座-桥墩易损性曲线比较 Fig.7 Comparison of fragility c urvesbetween bearing s and column由图7可知,墩柱和支 座在不同损伤状态下发 生损伤的概率都随谱加速度SA的增加而增大;在SA=0.2g时, 桥墩和桥墩支座中等损伤概率都很低,几乎都不会发生严重损伤和完全破坏;但是桥台支座中 等损伤和严重损伤的概率却很高,完全破坏的概率达20%, 表明该桥台支座的设计不甚合理 .分析其原因:首先,该桥桥台支座设计得比桥墩 支座要矮小,其相对位移延性能力亦较小; 其次,该 桥墩柱较柔, 地震作用下墩柱和支座共同承担地震力,柔性墩的变形消耗了部分能 量,墩顶支座相对位 移较小,而结构建模时假定桥台完全刚性,导致桥台处支座相对位移较大 . 分析结果表明,在不同强度地震作用下,板式橡胶支座比桥墩构件更容易损伤;桥台的延性 比桥墩小得多,桥台处支座比桥墩支座更容易破坏,与文献[11]中的结论相吻合.

桥台支座优化方案 针对桥台支座更容易破坏的特点,提出以下2种优化方案. 方案1 增加桥 台支座高度.新西兰的Te Te- ko桥在1987年的Edg ecumbe地震中,受到 0.3~0.35g的地震冲击, 桥台支座由于环形约束有效高度过小而失效,造成中等程度 的损坏[12] . 可见桥台处支座高度不足是导致桥台支座更容易破坏的原因 之一. 在前 面分析模型的基础上,保持其他条件不变,增加桥台支座的高度为桥墩支座的1.2倍,橡胶 层厚度变为114mm,则其延性能力亦为墩柱支座的1.2倍.输入相同的100条地震波 进行分析后得到支座的易损性曲线,并与原方案支座易损性曲线比较,如图8所示. 谱加速度SA/g 图8 不同高度桥台支座易损性曲线比较 F ig.8 Comparison of fragility curves withdif ferent height of abutment bearing 由图8可知,增加桥台 支座高度后,桥台支座在 各损伤状态下发生损伤的概率明显降低,在谱加速度SA=0.2g 时,中等损伤概率降至50%,严重损伤和完全破坏的概率降至15%以下.可见,在保证支 座承载能力的情况下, 适当增大桥台处支座的尺寸及其高度,是提高支座延性、改善支座抗震 性能的有效途径. 方案2 采用聚四氟乙烯滑板支座.尽管增高 桥台支座能够很好地改善支座 的抗震性能,但过分地增加支座高度不但会增加桥梁的造价,还可能导致支座失稳的问题.针对桥台处支座位移需求大的5 湖南大学学报(自然科学版)2011年 特点,可以在桥台处采用位移能力更大的聚四氟乙 烯滑板支座. 在前面分析模型的基础上,保持其他条件不变,桥台支座改用聚四氟滑板橡胶支 座GJZF4400mm ×550mm×102mm,橡胶层厚度t=71mm.本文中取支 座与梁底和台帽之间的摩擦因数μ=0.05, 桥台支座受竖向压力为1 700kN,故支 座屈服力为85kN,对应的屈服位移为0.011 43m.根据文献[13]的规定,该滑 板支座纵向位移量为0.09m,则该聚四氟乙烯滑板支座中等损伤状态的位移能力平 均值为 μ1=(0.09+0.011 43)/0.071=1.43.滑板支座在大震作用下可以 滑动,其破坏状态还与其 他因素(碰撞、台帽尺寸等)有关,由于篇幅所限,

本文不再讨论其 他几种损伤状态.输入相同的100条地震波进行分析后,可得桥台支座中等损伤状态易损性 曲线,并与前2种方案比较,如图9所示. 谱加速度SA/g 图9 桥台支座中等损伤各方案易损性曲线比较 Fig.9 Compa rison of fragility curves under moderatedam age status among different types of bearing由 图9可知,在桥台使用聚四氟乙烯滑板支座 以后,支座损伤概率也明显下降,在SA=0.2 时支座损伤概率降低了40%左右,与增高桥台支座的效果相当. 4 结 论 根据板式橡胶支 座的受力特性,建立了一座连 续梁桥的动力分析模型并进行非线性时程分析,采用传统可靠度 概率分析方法形成了支座的易损性曲 线. 本文主要得到以下结论:1 )基于位移破坏准则, 提出了一种板式橡胶支座损伤指标的确定方法,分析结果表明该方法实用可行. 2)采用板式 橡胶支座的连续梁桥,支座比桥墩更容易遭受地震破坏,且桥台支座比桥墩支座更易破坏,在 桥梁抗震设计中应引起重视. 3 )桥台支座在地震作用下位移响应较大,增加支座的高度或 采用聚四氟乙烯滑板支座都是改善支座抗震性能的有效途径.Series of elast omeric pad bearingsfor highw 桥梁板式橡胶支座由多层橡胶片与薄钢板硫化、粘合而成,它有足够的竖向钢度,能将上部构 造的反力可靠的传递给墩台;有良好的弹性,以适应梁端的转动;又有较大的剪切变形能力, 以满足上部构造的水平位移。 1.1、支承垫石的平面尺寸大小应能承受上部构造荷载为宜,一般长度与宽度应比橡胶支座大 10cm左右,垫石高度应大于6cm,以保证从梁底到墩台顶面有足够的空间高度,用来安放千斤顶 (或扁千斤顶),供支座调换时使用。 1.2、支承垫石内应布钢筋网,竖向钢筋与墩台内钢筋 相连接。浇注垫石用的水泥标号不低于250号,垫石混凝土顶面应预先用水平尺标准,力求平整 而不光滑。

支承垫石的顶面标高力求准确一致,尤其是一片梁一端安置两个支座时,此 两上支承垫石顶面标高的水平误差要严格控制。同一片梁的两个或四个支座的支承垫石顶面应 处于同一平面内,以免发生偏压,初始剪切与不均匀受力现象。 2.普通板式橡胶支座的安装 现浇梁安装橡胶支座较方便。施工顺序如下: 2.1.1、先将墩台垫石顶面除去浮沙,表面应清 洁、平面无油污。若墩台垫石的标高差距过大,可用水泥砂浆调整。 2.1.2、在支承垫石上按 设计图标出支座位置中心线,同时在橡胶支座上也标上十字交叉中心线,将橡胶支座安放在垫 石上,使支座的中心线与墩台上的设计位置中心线重合,支座就位准确。 2.1.3、同一片梁的 两个或四个支座应处于同一平面上,为方便找平,可于浇注前在橡胶支座与垫石间铺涂一层水 泥砂浆,让支座在梁的重力下自动找平。 2.1.4、在浇注混凝土梁体前,在橡胶支座上需加设 一块比支座平面稍大的支承钢板、钢板上焊锚固钢筋与梁体相连接。将此支承钢板(俗称:“梁 体钢板”)视作现浇梁模板的一部分浇注。为防止漏浆,可在支承钢板与模板之间四周空隙处, 用软木板填没。以后在拆除模板时,再将软木板除去。按以上施工,可使支座同梁底钢板、垫 石顶面全部密贴。 2.2、预制梁橡胶支座的安装 安装好预制梁橡胶支座的关键在于尽 可能的保证梁底与垫石顶面的平整、平行,使其同橡胶支座上下面全部密贴,避免偏压、脱空 、不均匀支承的发生,施工顺序如下: