高阻尼隔震橡胶支座对桥梁抗震性能的影响分析

作者:杨艳 孙金坤 蒋建军 刘振宇 陈裕波
单位:攀枝花学院交通与汽车工程学院 攀枝花学院土木与建筑工程学院 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院 攀枝花市交通运输局
摘要:以四川省雅安至康定高速公路青衣江特大桥为依托工程, 从结构自振周期、墩底内力、墩顶位移、梁端位移以及支座剪切位移等方面分析高阻尼隔震橡胶支座对桥梁抗震性能的影响, 并与普通板式橡胶支座进行对比研究, 对其在公路常规桥梁上的适用性提出建议。
关键词:公路工程 桥梁 高阻尼 隔震橡胶支座 抗震 设计
作者简介:作者简介: 杨艳, 硕士研究生, E-mail:37362770@qq.com;

 

0 引言

我国是一个地震多发国家, 近年来发生的“5·12”四川汶川大地震、“4·14”青海玉树大地震、“4·20”四川芦山地震等, 给我们带来了严重的灾害。公路桥梁作为生命线上的重要组成部分, 一旦损毁, 将严重影响救援和灾后重建。桥梁抗震越来越得到重视, 目前已成为桥梁设计的必要内容。

在桥梁抗震方面, 目前发展相对成熟、实际应用较为广泛的是减隔震技术。通过在梁体与墩台之间设置减隔震支座, 一方面可以延长结构自振周期、减小地震力;另一方面, 利用减隔震支座自身的阻尼性能进行滞回耗能, 保护桥梁主体结构。

目前, 应用较多的减震、隔震支座有普通板式橡胶支座、摩擦摇摆支座、铅芯橡胶支座和高阻尼隔震橡胶支座。高阻尼隔震橡胶支座 (简称HDR隔震支座) 具有结构合理、外观简洁、阻尼效果好、技术性能稳定、维护成本低、耐久性能好等特点。HDR隔震支座作为一种新型减隔震支座, 经过近几年来的研究和应用, 逐渐被桥梁工程界所接受。但是, 由于设计工程师对高阻尼隔震橡胶支座的抗震性能、适用性、经济性等方面了解不够, 且HDR隔震支座在抗震分析计算和参数选取上比普通板式橡胶支座复杂, 因此在一定程度上阻碍了HDR隔震支座的推广应用。

1 HDR隔震支座的隔震机理分析

高阻尼隔震橡胶支座是采用特殊配制的橡胶材料 (如掺石墨) 与钢板等构件硫化而成的一种橡胶支座。其橡胶材料黏性大, 自身可吸收能量, 在强震作用下, 支座变形产生大阻尼, 大量消耗进入结构体系的能量, 以达到控制结构内力分布及大小的目的。

通过对HDR隔震支座进行试验研究, 发现其滞回环面积比较饱满, 根据《公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座》JT/T842—2012, 可以采用双线性恢复力模型来模拟, 如图1所示。图中, K1为屈服前刚度, K2为屈服后刚度, Kh为水平等效刚度, Xy为屈服位移, Qy为屈服力, X为E2地震作用下的容许剪切位移, Q为对应X的水平剪切力。

图1 HDR隔震支座双线性恢复力模型Fig.1 Double line restoring force model of HDR isolation bearing

图1 HDR隔震支座双线性恢复力模型Fig.1 Double line restoring force model of HDR isolation bearing

 

HDR隔震支座的屈服力Qy较小, 在地震作用下, 支座容易屈服, 从而发生弹塑性变形, 通过快速往返运动大量消耗桥梁结构的振动能量, 并将上部结构传递至桥墩、桥台的地震力控制在一定范围内。由于屈服后刚度K2远小于屈服前刚度K1, 从而水平等效刚度Kh很小, 因此增大了桥梁结构的柔性, 延长了自振周期, 进而降低了桥梁结构的地震力响应。

与HDR隔震支座配套的滑动型支座是在支座本体上方增设了聚四氟乙烯板和不锈钢板, 在滑动摩擦前发生弹性, 滑动之后摩擦力恒定, 其力学模型如图2所示。图中, K0为滑动前水平刚度, Xy为屈服位移, Qy为滑动摩擦力。滑动型支座的滑动摩擦力Qy较小, 在地震作用下, 支座发生滑动后, 通过往返运动、摩擦耗能, 同时将上部结构传递至桥墩、桥台的地震力控制在滑动摩擦力Qy以下。

图2 滑动型支座力学模型Fig.2 Mechanical model of slipping bearing

图2 滑动型支座力学模型Fig.2 Mechanical model of slipping bearing

 

2 工程概况

四川省雅安至康定高速公路青衣江特大桥位于雅安市雨城区, 大桥横跨青衣江库区, 主桥推荐桥型方案采用 (42+75+42) m和 (42+70+42) m预应力混凝土连续梁跨越河堤, 江中采用4×46.5m预应力混凝土简支T梁, 两岸引桥采用多孔30.5, 30.95m预应力混凝土简支T梁, 全桥长1 421.6m。桥梁结构分幅设置, 半幅桥宽为12.25m。本文取其中具有代表性一联桥进行分析研究, 孔跨布置为4×30.95m, 上部梁体横向由5片简支T梁组成, 纵向采用桥面连续构造。桥梁结构如图3所示。

图3 桥梁结构 (单位:cm) Fig.3 The bridge structure (unit:cm)

图3 桥梁结构 (单位:cm) Fig.3 The bridge structure (unit:cm)

 

为方便研究, 假定各桥墩高度相同、地质条件相同。墩高分别取15, 20, 25, 30m四种情况。墩柱直径为1.6m, 桩基直径为1.8m。

根据本项目两阶段施工图设计文件, 中间3个桥墩处采用高阻尼隔震橡胶支座, 型号为HDR (Ⅱ) 320×420×127-G0.8, 即Ⅱ型矩形高阻尼隔震橡胶支座, 纵桥向尺寸为370mm, 横桥向尺寸为420mm, 高度为127mm, 剪切模量为0.8MPa;在剪应变为150%时, 其主要力学参数为:K1=4 170k N/m, K2=1 190k N/m, Kh=1 510k N/m, Xy=10.1mm, Qy=42k N, 容许剪切位移X=126mm, 竖向承载力P=1 360k N, 竖向压缩刚度Kv=777 000k N/m, 等效阻尼比ξ=12%。两个交界墩处采用滑动型支座, 型号为LNR (H) 320×420×137, 即纵桥向尺寸为370mm, 横桥向尺寸为420mm, 高度为137mm;其主要力学参数为:K0=1 710k N/m, Xy=25.1mm, Qy=43k N, 竖向承载力P=1 440k N, 竖向压缩刚度Kv=735 000k N/m。

为对比研究, 若采用常规静力设计, 根据支反力和支座剪切位移计算结果, 中间3个桥墩处普通板式橡胶支座的规格为GJZ300×450×63;其主要力学参数为:竖向承载力P=1 260k N, 动剪切模量Gd=1.2MPa, 水平抗剪刚度Kh=3 600k N/m, 竖向压缩刚度Kv=1 464 509k N/m。交界墩处四氟滑板橡胶支座的规格为GJZF4300×450×65;其主要力学参数为:摩擦系数μ=0.06, 滑动前水平刚度K0=3 600k N/m, 竖向压缩刚度Kv=1 464 509k N/m, 滑动摩擦力Qy根据恒荷载作用下的支反力计算。

“5·12”汶川大地震后, 根据《中国地震动参数区划图》GB18306—2001国家标准第1号修改单, 本项目场地地震动峰值加速度为0.1g, 地震动反应谱特征周期0.40s, 场地类型为Ⅱ类, 地震基本烈度为Ⅶ度。

3 桥梁抗震性能分析

根据《公路桥梁抗震设计细则》JTG/T B02-01—2008, 雅康路青衣江特大桥为B类, 并采用两级设防, 即在E1地震作用时, 桥梁结构一般不受损坏或不需要修复可继续使用;E2地震作用时应保证不致倒塌或产生严重结构损伤, 经临时加固后可供维持应急交通使用。E1地震作用时, 采用多振型非弹性反应谱法 (等效线性化分析法) 进行抗震计算。E2作用时, 采用3组人工时程波进行非线性时程分析计算, 取3组计算结果的最大值。E1地震作用 (地震超越概率取50年10%) 时, 本项目的设计加速度反应谱如图4所示, 抗震重要性系数取0.5, 场地系数和阻尼调整系数均为1.0。E2地震作用 (地震超越概率取50年2%) 时的人工时程波如图5所示, 最大加速度峰值为1.95m/s2

图4 E1地震作用时加速度反应谱Fig.4 Acceleration response spectrum under E1 earthquake

图4 E1地震作用时加速度反应谱Fig.4 Acceleration response spectrum under E1 earthquake

 

E1和E2地震作用下, 根据不同支座类型、不同墩高, 各计算了8种工况。抗震计算采用空间有限元程序Midas Civil 2015。主梁、桥墩、系梁和桩基均采用梁单元, 计算模型如图6所示。在进行E1地震作用下的多振型非弹性反应谱分析计算时, 普通板式橡胶支座、四氟滑板橡胶支座、HDR隔震支座以及滑动型支座均采用弹性连接;其中四氟滑板橡胶支座和滑动型支座的水平剪切刚度为0, HDR隔震支座的水平剪切刚度取水平等效刚度。当HDR隔震支座的剪应变计算值不等于150%时, 需要通过迭代计算确定其水平等效刚度。在进行E2地震作用下的非线性时程分析计算时, 普通板式橡胶支座采用弹性连接;四氟滑板橡胶支座、HDR隔震支座以及滑动型支座采用一般连接中双线性恢复力模型。

图6 抗震计算模型Fig.6 Isolation calculation model

图6 抗震计算模型Fig.6 Isolation calculation model

 

E1地震作用下, 分别采用普通板式橡胶支座 (交界墩处为四氟滑板橡胶支座) 和高阻尼隔震橡胶支座 (交界墩处为滑动型支座) 计算结果如表1所示。

E2地震作用下, 分别采用普通板式橡胶支座 (交界墩处为四氟滑板橡胶支座) 和高阻尼隔震橡胶支座 (交界墩处为滑动型支座) 计算结果如表2所示。

从上述分析结果可知, 设置高阻尼隔震橡胶支座时与设置普通板式橡胶支座时相比:

1) 能适当延长结构自振周期0.3~0.45s;在E1地震作用下, HDR隔震支座的剪切位移略小, 其水平等效刚度Kh约接近弹性刚度K1, 隔震效果不明显。

2) 在E1地震作用下, 纵桥向墩底弯矩减小0.8%~5.7%;横桥向墩底弯矩减小2.6%~12.4%;墩高越矮, 隔震效果越好。

3) 在E1地震作用下, 墩顶位移影响较小, 但是梁端位移和支座剪切变形稍有增大, 桥梁需要增加限位措施。

4) 在E2地震作用下, 纵桥向墩底弯矩减小3.7%~9.4%;横桥向墩底弯矩减小17.7%~29.5%;墩高越矮, 隔震效果越好。

图5 人工时程波Fig.3 The artificial time waves

图5 人工时程波Fig.3 The artificial time waves

 

表1 E1地震作用下桥梁结构响应Table 1 Bridge structure response under E1 earthquake   

表1 E1地震作用下桥梁结构响应Table 1 Bridge structure response under E1 earthquake

表2 E2地震作用下桥梁结构响应Table 2 Bridge structure response under E2 earthquake   

表2 E2地震作用下桥梁结构响应Table 2 Bridge structure response under E2 earthquake

5) 在E2地震作用下, 墩顶位移和梁端位移影响较小, 支座剪切变形量显著增大。

4 HDR隔震支座的适用性分析

根据8种工况抗震分析计算, 高阻尼隔震橡胶支座对延长结构自振周期、减小地震作用下桥墩内力有利, 并且墩高不同, 高阻尼隔震橡胶支座的隔震效果也不同, 如图7所示。

图7 不同地震作用下墩底弯矩比值随墩高变化示意Fig.7 The change of moment ratio at bottom pier with the pier height under different earthquake

图7 不同地震作用下墩底弯矩比值随墩高变化示意Fig.7 The change of moment ratio at bottom pier with the pier height under different earthquake

 

图7中, My11指E1地震作用下, 设置高阻尼隔震橡胶支座时墩底纵桥向弯矩;My12指E1地震作用下, 设置普通板式橡胶支座时墩底纵桥向弯矩;Mz11指E1地震作用下, 设置高阻尼隔震橡胶支座时墩底横桥向弯矩;Mz12指E1地震作用下, 设置普通板式橡胶支座时墩底横桥向弯矩;My21, My22, Mz21, Mz22为E2地震作用下相应的墩底弯矩。

从图7可以看出, 高阻尼隔震橡胶支座对矮墩桥梁的减隔震效果要好于高墩桥梁;且对横桥向的减隔震效果好于纵桥向, 说明当结构自振周期越小、刚度越大时, 采用高阻尼隔震橡胶支座时桥梁的抗震性能较好。横桥向个别数据出现偏离, 是因为桥墩在横桥向为框架结构, 且各桥墩横桥向振动不一致。

同一支座, 在同一条地震时程波作用下, 墩高分别为15, 30m时HDR隔震支座的滞回环如图8所示。从图8可对比看出, 桥墩高度越小, 高阻尼隔震橡胶支座的剪切位移越大, 滞回环面积越大, 耗能作用越大。

桥梁的跨径、墩高千差万别, 不便从结构尺寸上来定量化评判高阻尼隔震橡胶支座的适用性, 比较合适的指标是结构的自振周期, 从加速度反应谱曲线和分析结果来看, 当对结构地震响应起主要贡献的振型对应的自振周期都<3s且地震烈度较高时, 适宜采用高阻尼隔震橡胶支座。

5 结语

1) 高阻尼隔震橡胶支座在近几年逐步得到发展和应用, 其水平等效刚度较小, 能延长结构自振周期, 同时具有双线性恢复力模型特性, 在地震反复作用下能形成滞回环进行耗能, 减小地震力。

2) 对于公路常规简支梁桥, 通过与普通板式橡胶支座进行对比, 在墩高较矮、结构自振周期较小时, 采用高阻尼隔震橡胶支座可以改善桥梁结构的抗震性能;当墩高较大时, 结构自振周期较长, 高阻尼隔震橡胶支座的减隔震效果不明显。

图8 HDR隔震支座在时程波作用下纵向剪切力-位移曲线Fig.8 The curves of longitudinal shear force to displacement of HDR isolation bearings under time waves

图8 HDR隔震支座在时程波作用下纵向剪切力-位移曲线Fig.8 The curves of longitudinal shear force to displacement of HDR isolation bearings under time waves

 

3) 设置高阻尼隔震橡胶支座的桥梁, 支座剪切位移和梁端位移稍大, 需要配套设置纵向、横向限位装置, 如挡块、钢拉杆、抗震缓冲橡胶垫等。

4) 当对结构地震响应起主要贡献的振型对应的自振周期都<3s且地震烈度较高时, 适宜采用高阻尼隔震橡胶支座。

 

Influence of High Damping Rubber Bearing on Seismic Performance of the Bridge
Yang Yan Sun Jinkun Jiang Jianjun Liu Zhenyu Chen Yubo
(School of Transportation and Automobile Engineering, Panzhihua University School of Civil and Architecture Engineering, Panzhihua University Sichuan Provincial Transport Department Highway Planning, Survey, Design and Research Institute Panzhihua Transportation Bureau)
Abstract: Relying on Sichuan province Ya'an to Kangding Expressway Qingyijiang River Bridge, from the aspect of structure vibration period, bridge pier bottom internal forces, pier top displacement, beam end displacement and bearing shear displacement, influence of high damping rubber bearing on seismic performance of the bridge is analyzed. Compared with ordinary laminated rubber bearing, make recommendations on applicability in conventional bridges are made.
Keywords: roads; bridges; high damping; isolation rubber bearings; seismic resistance; design;
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