摘要
中小跨径梁桥常用的板式橡胶支座位移能力不足,地震中容易发生支座滑动,导致墩梁相对位移过大。为此提出一种新型组合橡胶支座,支座截面由叠层区和滑动区组成,支座内部能够发生滑动从而减小水平刚度、提高位移能力并耗散地震能量。对6块支座试样开展了拟静力试验探究压力、胶料性能、滑动区刚度占比的影响,并选择典型简支梁桥进行有限元分析,对比了组合橡胶支座和板式橡胶支座的地震响应。结果表明,组合橡胶支座等效刚度小、位移和耗能能力强,能够避免支座滑动,并显著减小支座位移和桥墩弯矩。
板式橡胶支座构造简单、施工方便,在我国的中小跨径梁桥中得到广泛应用。这种支座往往直接放置在桥墩或盖梁的支座垫石上,一般搭配横向混凝土挡块使用,上部结构则直接搁置在支座上,不需要额外的连接措施。由于缺少可靠的锚固,板式橡胶支座与上、下部结构的接触面在地震作用下容易发生滑动。汶川地震的震害表
板式橡胶支座的滑动会显著降低结构水平刚度并消耗地震输入能量,因此能够有效减小下部结构的地震响
为了充分利用板式橡胶支座的滑动减震功能并避免墩梁相对位移失控,学者们提出了“有限滑动”的理念,即通过引入外部装置令支座滑动可控。Wilches Están
本文从支座本体出发,提出了一种适用于中小跨径梁桥的新型组合橡胶支座用以增大非固定安装支座的位移能力,通过支座循环加载拟静力试验分析了其力学性能及影响因素,并推导了其恢复力模型;在此基础上进行了近、远场地震动下的实桥有限元分析,验证了新型支座的减震性能,对比分析了组合橡胶支座体系与传统板式橡胶支座体系的动力响应,尤其是支座位移响应的特点。
以不固定安装的板式天然橡胶支座(laminated natural rubber bearing, LNB)为例,支座的减震性能源于滑动带来的刚度减小和耗能增大,但支座本身水平刚度较大而且近似线性,支座发生整体滑动前的允许位移(以下简称为“支座允许位移”)较小。为了在保证上述减震优势的同时增大支座的位移能力,并且不显著增加造价和施工难度,本文在中小跨径梁桥中常用的板式橡胶支座和滑动橡胶支座的基础上,提出一种如图

图1 组合橡胶支座构造及力学性能
Fig.1 Configuration and mechanical properties of CRB
组合橡胶支座的变形如
(1)在正常使用阶段,组合橡胶支座的滑动区未发生滑动,与叠层区共同参与受力,水平刚度与同规格的板式橡胶支座相当,可以满足结构正常的刚度需求。
(2)在地震作用下,滑动区发生局部滑动摩擦削弱支座的水平刚度,相当于支座发生屈服。由于水平刚度降低,组合橡胶支座在整体滑动前的允许位移比板式橡胶支座的更大,即位移能力能够得到显著提高。另一方面,滑动区局部滑动摩擦带来的刚度折减和耗能增大能够有效减小下部结构的地震动响应。
组合橡胶支座的结构和材料都与常规板式橡胶支座相似,竖向变形机制相同,均为橡胶层压缩变形、加劲钢板约束橡胶横向变形,即组合截面并不会影响支座的竖向承载能力,因此组合橡胶支座的竖向和水平力学性能可以分开设计,即根据竖向承载能力确定支座整体尺寸,再由水平力学性能的要求确定滑动区尺寸,如在过渡墩和矮墩上可以采用滑动区更大、刚度更小的支座,使得桥墩内力尽可能均匀;由于安装方便,组合橡胶支座还可以用于对现有板式橡胶支座桥梁的加固。
为验证组合橡胶支座的水平力学性能,本文对3组共6个组合橡胶支座试样开展了水平循环加载拟静力试验,试样尺寸、加载工况等如
注: 尺寸项为外围尺寸,代表长×宽×橡胶层总厚度;胶料硬度为邵氏硬度A;除B2以外的试样均将叠层区设置在外部,将滑动区设置在中心;试样B2的外围为滑动区,但为提高支座稳定性,将四氟滑板往内缩进20 mm,即真正的滑动边界长×宽为390 mm×390 mm。

图2 组合橡胶支座试样循环加载试验
Fig.2 Cyclic tests of CRB specimens
A1支座完整的循环加载滞回曲线如

图3 A1滞回曲线
Fig.3 Hysteresis curve of A1

图4 组合橡胶支座滞回曲线拟合
Fig.4 Hysteresis curve fitting of CRB specimens
取支座试样第2到第11次循环加载的水平等效刚度和等效阻尼比的平均值列于
为组合橡胶支座桥梁设计提供参考,本文基于支座的工作原理,对如

图5 双线性恢复力模型
Fig.5 Bilinear restoring force model
局部滑动前,组合橡胶支座变形模式与普通板式橡胶支座相同,从而得到屈前刚度;将屈服点定义为滑动区发生局部滑动的临界状态,首先要根据竖向刚度占比计算滑动区的压力从而得到局部滑动摩擦力,屈服位移为局部滑动前滑动区的弹性变形,根据屈服位移和屈前刚度可以得到屈服力;屈后刚度等于叠层区水平刚度。胶料配比、硫化温度等生产工艺以及不同剪切变形等加载工况对橡胶材料的力学性能影响较大,最后通过修正系数、来考虑胶料性能差异对屈前刚度和屈后刚度的影响,可以通过对相同加工条件下的橡胶试块进行水平剪切试验,得到初始剪切模量和大变形时的剪切模量,并分别将这两个模量除以等效剪切模量初步得到修正系数,但考虑到可能还有其他影响因素,实际取值还应当根据支座的试验结果进行调整。完整推导公式如下:
其中,、分别为滑动区和支座承担的压力;、、、分别为叠层区的竖向刚度、水平刚度和滑动区的竖向刚度、水平刚度,计算方法与板式橡胶支座相同,此处不再赘述;、分别为滑动区摩擦系数和摩擦力;为屈服位移。
根据公路桥梁抗震规
为探究组合橡胶支座应用在中小跨径梁桥时的减震效果,本文依托实际工程建立了实桥有限元模型,并开展了纵桥向的非线性地震动时程分析。
以一座3×30 m的三跨预应力混凝土梁桥为工程背景建立有限元模型,该桥桥面连续,结构简支。取中间联进行分析,左右联作为边界条件,不考虑桥台约束。横桥向布置如

图6 实例桥梁横断面(单位: m)
Fig.6 Cross section of bridge example (unit: m)
采用结构分析程序OpenSees进行有限元分

图7 基于OpenSees的有限元模型
Fig.7 Finite element model based on OpenSees
该工程实例属于B类桥梁,抗震设防烈度为Ⅶ度,地面峰值加速度为0.1g,场地类型为Ⅳ类,场地特征周期为0.75 s。为分析组合橡胶支座在远场、近场地震动下的表现,本文设置了两组地震动工况,其中远场地震动基于规范的E2加速度反应谱进行人工合成得到,与规范谱的比较如

图8 远场地震动加速度反应谱
Fig.8 Acceleration response spectrums of ground motions far away from fault
近场地震动需要考虑速度脉冲,从Baker

图9 近场地震动
Fig.9 Ground motions near faults
最后分别给上述6条地震动时程增加20 s的零加速度段用于计算震后残余位移。阻尼均采用瑞利阻尼,选取首阶和质量参与率达90%对应的两阶振型(周期分别为1.407 s和0.130 s),并假设振型阻尼为0.05计算相应参数。
由于模型具有对称性,以下仅对中间联的其中一墩及该墩上的中支座进行结果分析,分析指标包括支座最大位移(即墩梁相对位移)、支座残余位移、桥墩墩底弯矩。
为进一步分析两种支座动力响应的区别,以 E2‒1地震波为例,将相应的支座位移时程和滞回曲线分别绘制于图

图10 支座位移时程(E2‒1)
Fig.10 Displacement time-history curves of bearings (E2‒1)

图11 支座滞回曲线(E2‒1)
Fig.11 Hysteresis curves of bearings (E2‒1)

图12 支座能量耗散对比
Fig.12 Comparison of energy dissipation of two bearings
为进一步探究组合橡胶支座在近场作用下的减震性能,以Landers地震波为例,将支座位移时程绘制于

图13 支座位移时程(Landers)
Fig.13 Displacement time-history curves of bearings (Landers)
针对中小跨径梁桥常用的板式橡胶支座容易滑动引发位移失控的问题,提出了一种不固定安装的新型组合橡胶支座,并开展了支座拟静力试验和实桥有限元分析,得出结论如下:
(1)组合橡胶支座的滞回曲线呈较饱满的梭型,双线性特征明显,水平等效刚度明显小于同规格的板式橡胶支座,等效阻尼比较大,剪应变达到200%也不发生支座破坏或滑动。
(2)压力提高可以增大支座的屈服力和耗能能力;胶料硬度提高能够增大支座刚度;剪应变幅值和滑动区刚度占比的增加都会减小支座等效刚度,提高等效阻尼比,基于支座工作原理推导的恢复力模型能够有效反映上述因素的影响。
(3)地震作用下组合橡胶支座位移能力和耗能能力强,支座最大位移、残余位移、墩底弯矩均小于板式橡胶支座,在近远场下的减震效果都更好。
(4)近断层地震作用的长周期脉冲效应和丰富的频谱特性会显著增大结构响应,组合橡胶支座受近断层的地震特性影响更强,但减震效果依旧优于板式橡胶支座。
组合橡胶支座的力学特性与压力有关,在横桥向或竖向地震作用等存在压力显著变化的情形时,力学性能会发生改变;此外在不同墩高、场地类别、抗震设防烈度、是否考虑桥台约束及山区不等墩高等工程条件下,支座的减震性能也存在较大差异,这些问题仍需要进一步的研究。
作者贡献声明
钟海强:试验分析,有限元建模分析,论文撰写。
袁万城:提出概念,指导论文撰写。
党新志:支座试验分析,指导论文撰写。
邓小伟:提供实桥数据,指导论文撰写。
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