考慮支座材料劣化的斜拉橋抗震性能研究

邱建濤，封 偉,王 通

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

考慮支座材料劣化的斜拉橋抗震性能研究

邱建濤，封 偉,王 通

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

隨著斜拉橋服役年限的增長，橡膠減震支座的性能會發(fā)生退化，不利于橋梁結(jié)構(gòu)的抗震。結(jié)合國內(nèi)某已建成斜拉橋，采用有限元程序SAP2000建立全橋的計算模型，考慮橡膠隔震支座材料性能的劣化規(guī)律，對全壽命期內(nèi)橋梁的抗震性能進行計算分析。結(jié)果表明：隨著支座材料的劣化，橋梁的自振頻率逐漸增大，全橋的剛度會出現(xiàn)一定程度的增加，主塔、主梁的位移峰值以及塔底彎矩峰值降低，并且出現(xiàn)峰值的時間有所提前，支座材料劣化是影響斜拉橋抗震性能的重要因素。

斜拉橋；減震橡膠支座；材料劣化；抗震性能

斜拉橋具有跨越能力大、造型美觀、施工便利等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)外橋梁建設(shè)中成為使用較為廣泛的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)體系[1-2]。但是，隨著斜拉橋跨度的不斷增大，結(jié)構(gòu)構(gòu)造與地震響應(yīng)也越來越復(fù)雜，其抗震性能越來越受到關(guān)注[3-5]。在限制橋梁地震時的位移以及減震耗能方面，支座起到不容忽視的作用[6-7]。目前，隔震橡膠支座在橋梁結(jié)構(gòu)中得到了越來越多的應(yīng)用，但隔震橡膠支座長期暴露在自然環(huán)境中，會受到各種環(huán)境因素以及力學(xué)因素的雙重影響，支座材料會出現(xiàn)不可避免的劣化[8-10]。這種劣化主要從兩個方面考慮：第一，橋梁服役環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)會使得材料內(nèi)部出現(xiàn)老化，如橡膠材料的變質(zhì)；第二，外部環(huán)境中的氧氣、水分、腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，使得支座外部的連接板、螺栓等出現(xiàn)銹蝕，進而使得支座的性能出現(xiàn)下降。由于隔震支座在全壽命期一般不考慮更換，所以有必要對橋梁服役期內(nèi)支座的性能變化進行合理的分析研究，進而對橋梁在不同服役期內(nèi)的抗震性能進行分析，從而得出支座性能退化對全壽命期內(nèi)橋梁抗震性能的影響，這對橋梁的抗震設(shè)計以及橋梁的抗震安全評估具有十分重要的意義。

多數(shù)研究結(jié)果表明，隨著隔震支座的服役年限增長，支座的水平和豎向剛度也會出現(xiàn)增長，其力學(xué)性能會慢慢出現(xiàn)變化，進而對橋梁的抗震性能產(chǎn)生一定的影響。對于支座性能退化后橋梁抗震性能的變化，目前研究還比較少。本文以已建成的采用隔震橡膠支座的混合梁斜拉橋為工程背景，采用SAP2000建立全橋的計算模型，借鑒趙桂峰等人對于隔震橡膠支座性能劣化規(guī)律的試驗研究所得的成果，分別對0 a(初始狀態(tài))、20 a、40 a、60 a、80 a、100 a時隔震支座性能劣化后的橋梁計算模型進行抗震性能分析，對各個時間段橋梁的自振特性以及主梁，主塔的內(nèi)力、位移等進行對比分析，從而得到支座材料性能劣化對橋梁抗震性能產(chǎn)生的影響。

1 隔震體系原理

以彎曲變形為主的抗震結(jié)構(gòu)，主要通過構(gòu)件的損傷破壞來吸收耗散外部輸入的能量。當(dāng)?shù)卣鸪霈F(xiàn)時，地面振動引起結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，若結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)固結(jié)于地基，其地震響應(yīng)是隨著結(jié)構(gòu)高度從下到上逐漸增大的。對于傳統(tǒng)的抗震設(shè)計來講，主要通過提高結(jié)構(gòu)的強度和延性，利用結(jié)構(gòu)在大震作用時產(chǎn)生的塑性變形來耗散地震能量，通過將塑性控制在某一范圍內(nèi)來達到大震不倒的目標。而隔震體系則是在橋梁的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置減震耗能裝置，從而使地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳輸被阻斷，以達到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。采用隔震裝置能夠有效延長結(jié)構(gòu)周期，降低結(jié)構(gòu)的自振頻率，并且能夠通過合適的阻尼使得橋梁結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)大大減弱。而且能夠使結(jié)構(gòu)的位移主要發(fā)生在下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間的隔震層，而不是由結(jié)構(gòu)本身的塑性變形來承受，從而減小地震對上部結(jié)構(gòu)的影響，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

減隔震結(jié)構(gòu)體系就是指結(jié)構(gòu)中加入減隔震裝置，與原有結(jié)構(gòu)共同形成的體系。減隔震體系的原理如圖1所示。由于減隔震裝置的設(shè)置，結(jié)構(gòu)的固有周期由T1增加到T2，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)由A點降低到B點。與此同時，結(jié)構(gòu)的位移也從圖1(b)上的A點增長到B點。為了將隔震后結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)，在隔震層中設(shè)置阻尼器把因周期延長而增大的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)由B點降低到C點。

圖1 減隔震原理

圖2 減隔震結(jié)構(gòu)計算模型 圖3 SAP2000斜拉橋動力計算模型

減隔震結(jié)構(gòu)的計算模型如圖2所示，A為在水平方向支承上部結(jié)構(gòu)的裝置，主要用來延長結(jié)構(gòu)的自振周期，施加復(fù)位力，從而達到隔震的效果；B為下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)發(fā)生相對位移時的耗能裝置，主要用來減小上部結(jié)構(gòu)的振幅和減震消能；C為在豎向支承上部結(jié)構(gòu)的裝置，主要用來吸收豎向的地震能量，同時傳遞上部結(jié)構(gòu)的恒載和活載，保證結(jié)構(gòu)正常使用功能的實現(xiàn)。

2 計算模型的建立

2.1 工程背景

以一座已建成的混合梁斜拉橋為工程實例進行研究，主橋橋型為雙跨雙索面半漂浮體系混合梁斜拉橋，跨徑為(40.5+42.5+67+400+67+42.5+40.5) m，其中橋塔為H型，主跨為鋼箱梁，邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土梁，主跨與邊跨的連接為邊跨部分伸入主梁。在塔梁連接處設(shè)有減隔震支座，同時在邊墩和輔助墩頂也設(shè)置了減隔震支座。主橋主墩下為直徑2 m的鉆孔灌注樁承臺基礎(chǔ)，錨固墩和輔助墩下為直徑1.5 m的鉆孔灌注樁承臺基礎(chǔ)。

2.2 計算模型

利用SAP2000有限元程序建立結(jié)構(gòu)的動力分析模型，如圖3所示。假定地震時主塔、橋墩始終處于彈性階段，不考慮橋墩的塑性變形，即疊合梁、預(yù)應(yīng)力混凝土梁、橋墩以及主塔均采用框架單元來模擬。拉索采用索單元模擬，并利用Ernst公式對其垂度進行修正。考慮恒載的幾何剛度影響，橋墩與蓋梁、橋墩與樁基之間的連接均采用剛性連接。隔震支座的模擬采用SAP2000程序中的摩擦擺隔震支座。根據(jù)隔震支座的材料劣化規(guī)律，通過輸入不同的有效剛度、有效阻尼以及非線性特征值來模擬不同時間段內(nèi)隔震支座的性能狀況。

3 抗震性能分析

3.1 結(jié)構(gòu)的自振特性分析

結(jié)構(gòu)的自振特性決定了它的動力反應(yīng)特征，因此對橋梁的自振特性進行研究是分析橋梁動力反應(yīng)特性的基礎(chǔ)。本文采用特征向量法進行特征值分析，運算前40階振型，取值滿足規(guī)范相關(guān)的要求:振型參與質(zhì)量大于計算方向結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的90%。表1列出了計算模型所取橋梁的前8階振型的周期、頻率和振型形狀。

表1 斜拉橋自振頻率及振型描述

3.2 隔震支座性能劣化規(guī)律

何雙等人由試驗研究數(shù)據(jù)所擬合的隔震橡膠支座隨著服役時間增長其剛度變化為[2]：

K=0.989 3+0.003 9T支

(1)

其中，T支為支座材料初始剛度，可以得到服役年限分別達20 a、40 a、60 a、80 a、100 a時隔震橡膠支座的水平剪切剛度值，見表2。

表2 隔震支座不同年限的剪切剛度值 (單位：kN/mm)

3.3 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

采用的地震加速度時程曲線與場地抗震設(shè)防烈度一致，該斜拉橋位于7度地震區(qū)，按照8度設(shè)防，場地類別為Ⅱ類場地，水平方向地震動峰值加速度為0.2 g。本文混合梁斜拉橋介于鋼斜拉橋與混凝土斜拉橋之間，阻尼比依照規(guī)范規(guī)定，混凝土斜拉橋不大于0.03，鋼斜拉橋不大于0.01，取阻尼比0.02。進行時程分析時，選擇與設(shè)計場地特征周期相近的地震波，本文選取1941年美國帝國谷記錄到的EL Centro地震波，見圖4。為了與設(shè)計烈度相當(dāng)，對選用的地震波時程曲線進行適當(dāng)比例的放大和縮小。調(diào)整后的加速度可表示為：

(2)

在有限元計算模型的基礎(chǔ)上，分別對0 a(初始狀態(tài))、20 a、40 a、60 a、80 a、100 a等6種工況下的橋梁抗震性能進行分析，并分別繪制出各個工況下的內(nèi)力和位移變化曲線，圖5、圖6為主梁和塔頂位移變化曲線，圖7為初始狀態(tài)時塔底彎矩時程變化曲線。

圖4 EL Centro地震波

圖5 跨中縱橫向位移峰值 圖6 左塔頂縱橫向位移峰值

圖7 左塔底彎矩變化

由圖5～圖7可以看出：隨著服役年限的增長，隔震支座材料逐漸出現(xiàn)性能退化后，橋梁的抗震性能也出現(xiàn)了一定的變化。

表3列出了全服役期內(nèi)主塔頂和主梁跨中位移的變化情況。塔底彎矩最大值從81 778 kN·m降低到73 600 kN·m。根據(jù)分析結(jié)果，隨著支座材料性能出現(xiàn)退化，橋梁出現(xiàn)一階振型時的自振頻率增大，自振周期變大，主梁和主塔的位移峰值會隨著時間的增長而出現(xiàn)降低，出現(xiàn)位移峰值的時間也出現(xiàn)了相應(yīng)的提前。其中，從橋梁初期到橋梁服役期滿100 a，左塔頂縱橋向位移峰值最大降低了20.1%，橫橋向位移峰值最大降低了32.8%，跨中縱橋向位移峰值最大降低了23.8%，橫橋向位移峰值最大降低了23.3%，塔底彎矩峰值降低了約10%，峰值出現(xiàn)的時間提前了約0.8 s。因此，隔震橡膠支座材料的劣化對橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生了不容忽視的影響，對在役的采用隔震支座的斜拉橋進行抗震性能評估時，應(yīng)該充分考慮到支座性能退化所帶來的影響，從而得到與實際情況更加相符的抗震評估結(jié)果。

表3 位移峰值變化表 (單位：mm)

4 結(jié)論

以一座在役的采用隔震橡膠支座的混合梁斜拉橋為實例，建立結(jié)構(gòu)的動力分析計算模型，考慮支座材料性能變化規(guī)律，對各時間段內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能進行計算分析，得出以下結(jié)論：

(1)隨著支座材料性能的退化，橋梁的自振頻率逐漸出現(xiàn)增大，全橋的剛度會出現(xiàn)一定程度的增大，但對全橋的模態(tài)振型不會產(chǎn)生明顯的影響。

(2)支座材料性能隨著橋梁服役年限的增加出現(xiàn)退化后，在地震作用下，主塔、主梁縱橋向和橫橋向的位移峰值以及塔底彎矩峰值會出現(xiàn)一定程度的降低，并且位移峰值和彎矩峰值出現(xiàn)的時間會有所提前。

(3)橋梁的地震響應(yīng)隨著服役年限的增長會慢慢出現(xiàn)變化，會對橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能評估產(chǎn)生重要的影響，因此支座材料劣化是影響斜拉橋抗震性能的重要因素。

[1] 葉愛君,管仲國. 橋梁抗震[M]. 北京:人民交通出版社,2002.

[2] 何雙. 基于材料性能劣化的近海隔震橋梁全壽命地震易損性分析[D]. 廣州：廣州大學(xué)，2015.

[3] 陳名歡. 大跨度混合梁斜拉橋地震響應(yīng)分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2008.

[4] 高大峰,路軍. 基于動水及樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用的斜拉橋地震響應(yīng)分析[J]. 世界地震工程,2015,31(4):15-22.

[5] 范立礎(chǔ). 橋梁非線性地震反應(yīng)分析[J]. 土木工程學(xué)報，1981,14(1):10-17.

[6] 中華人民共和國交通運輸部.公路橋梁抗震設(shè)計細則:JTG/T B02-01-2008[S]. 北京:人民交通出版社,2008.

[7] 中華人民共和國交通運輸部.公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范:JTJ D63-2007[S].北京:人民交通出版社，2007

[8] 蘇健. 疊層橡膠支座力學(xué)性能和高架橋及高層隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)研究[D]. 長沙：湖南大學(xué)，2012.

[9] 周葉波,徐秀麗.不同支座約束方式下的斜拉橋抗震性能分析[J]. 世界地震工程，2012,28(1):142-146

[10] 彭鵬. 重慶培陵烏江大橋支座受力分析及輔助墩優(yōu)化設(shè)計[D]. 長沙：長沙理工大學(xué)，2014.

On seismic behavior of cable stayed bridge with deterioration of bearing materials

QIU Jian-tao，F(xiàn)ENG Wei，WANG Tong

(SchoolofHighway,Chang'anUniversity,Xi'an710064,China)

With the increase of service life of the cable-stayed bridge, the performance of the rubber shock absorber will be degraded, which is not conducive to the seismic performance of the bridge structure. Calculation and analysis are made for the seismic performance of the whole life of the bridge based on practice of a domestic built cable-stayed bridge, using finite element software SAP2000 to establish the calculation model of the whole bridge, and considering the deterioration of material properties of rubber bearings. The results show that with the deterioration of the bracket material, vibration frequency increases and the stiffness of the bridge will be increased to some extent, the main tower, girder and tower bottom displacement peak moment decreased, and the peak appeared ahead of time. Therefore, the supporting material deterioration is an important factor affecting the seismic performance of cable-stayed bridges.

cable-stayed bridge; anti-seismic rubber bearing; material deterioration; seismic behavior

2016-08-01

國家自然科學(xué)基金項目(51408040)

邱建濤(1991—)，男，山東臨沂人，碩士研究生。

1674-7046(2017)01-0059-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.01.011

U448.27

A