不同地震激勵下連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座減震性能研究

馬鴻川

（煙臺橡研材料科技有限公司 山東 龍口 265700）

0 引言

地震災(zāi)害具有突發(fā)性強、影響范圍較大、持續(xù)時間較短等特點?；诘乩砦恢脤用娣治?，我國橫跨太平洋地震帶，屬于全球范圍內(nèi)地震災(zāi)害發(fā)生較為頻繁的國家之一。我國曾發(fā)生過多次大型地震災(zāi)害，災(zāi)害的發(fā)生不僅對地區(qū)人民的生命安全造成了威脅，也對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展造成了較大的負面干預(yù)[1-3]。橋梁工程是市場經(jīng)濟建設(shè)中支撐公路和鐵路運輸?shù)闹匾A(chǔ)，一旦發(fā)生地震，將對橋梁工程造成非常嚴重的后果。同時，橋梁工程具有修復(fù)難度大、周期長、造價高等特點。因此，必須加大對橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的分析投入，掌握在不同條件與工況下橋梁的承載能力，以此種方式為后續(xù)的橋梁建設(shè)工程的規(guī)范化施工給予全面的技術(shù)指導(dǎo)[2,4-5]。為提高橋梁的綜合性能，施工方會在設(shè)計與施工中，采用設(shè)置減震支座的方式，進行整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。常用的減震支座包括橡膠支座、高阻尼支座、鉛芯制作等。天然橡膠墊于1889年首次安裝在澳大利亞墨爾本的一座鐵路橋的上層建筑和橋墩之間。它們大約1.3厘米厚，旨在吸收沖擊而不是適應(yīng)水平運動。1954年，法國工程師Eugene Freyssinet獲得了一項專利，他的想法是用薄鋼板加固橡膠板。通過在橡膠層之間施加鋼板，實現(xiàn)了垂直剛度和水平柔韌性的結(jié)合。1956年，采用硫化程序?qū)⒈′摪逭澈系较鹉z片上。從那時起，多層橡膠軸承已廣泛用于各種應(yīng)用，包括保護建筑物免受地震影響。由于橡膠板提供非常低的阻尼，因此有時會在軸承中插入一個鉛塞以增加能量耗散。這些軸承稱為鉛橡膠軸承。增加能量耗散的另一種方法是通過使用填料（即高阻尼橡膠）在橡膠板中提供足夠的阻尼。橡膠支座是連續(xù)梁橋中應(yīng)用最廣泛的一種支座，它可以起到隔震和減震的作用。然而，由于其自身的幾何不規(guī)則性，彎曲連續(xù)梁橋往往在復(fù)雜的受力情況下工作，如主梁明顯的彎扭耦合，使得支座往往成為地震中最脆弱的構(gòu)件。

相比常規(guī)的減震支座，本文研究的高阻尼橡膠支座在施工中具有污染程度低、穩(wěn)定性能良好等特點，可以在主體結(jié)構(gòu)中有效地吸收地震能量，從而降低并在一定程度上削弱由于地震造成的橋梁整體振動。目前，已有相關(guān)科研單位投入到了此方面工作的研究中，并從不同角度進行了高阻尼橡膠支座的綜合性能分析。本文研究將結(jié)合市場相關(guān)工作單位的現(xiàn)有研究成果，開展不同地震激勵下連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座減震性能的研究，以此種方式，為優(yōu)化連續(xù)梁結(jié)構(gòu)提供更加權(quán)威的數(shù)據(jù)作為支撐。

1 工程概況

本文此次研究的連續(xù)梁工程跨徑為45 m×4 m，其中連續(xù)梁2號墩位處設(shè)置了固定的支架結(jié)構(gòu)，其他位置均為滑動支架結(jié)構(gòu)。此橋梁的標準寬度為33.8 m，整體結(jié)構(gòu)為上、下分離式結(jié)構(gòu)，橋墩結(jié)構(gòu)位置的高度在8.3～38.5 m之間，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為矩形灌注樁，樁體結(jié)構(gòu)的直徑為1.75 m。位于承臺結(jié)構(gòu)下部2.5～8.9 m范圍內(nèi)，分布大量的黏土，依次向下對應(yīng)的土層中分布石灰?guī)r與強風(fēng)化巖。根據(jù)現(xiàn)場勘查，此連續(xù)梁所在位置的橫向地震加速度值為1.755 g，屬于強震區(qū)。高阻尼橡膠支座在低剪切應(yīng)變下表現(xiàn)出高剛度和阻尼，從而最大限度地減少在服務(wù)和風(fēng)荷載下的響應(yīng)，以及在設(shè)計位移水平上具有足夠阻尼能力的低剪切剛度。在更高的位移幅度下，它們表現(xiàn)出剛度和阻尼的增加，可用于限制大地震下的位移。為降低地震災(zāi)害對此橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性的影響，設(shè)置高阻尼橡膠支座，輔助連續(xù)梁減震。其中高阻尼橡膠支座的化學(xué)構(gòu)成如下表1所示。

表1 高阻尼橡膠支座化學(xué)材料構(gòu)成

通過上述內(nèi)容，完成對此連續(xù)橋梁綜合性能與化學(xué)構(gòu)成的分析。

在此基礎(chǔ)上，進行高阻尼橡膠支座試件的制備。在此過程中，使用四丙氟橡膠生膠在50 ℃以下的開煉機中進行熔煉，依次加入潤滑劑、補強填料、硫化劑、薄通、三角包，24 h后進行硫化試驗。在170 ℃的條件下，用平板硫化機進行一段時間的硫化，在此過程中使用的主要化學(xué)原料如下表2所示。

表2 化學(xué)原料

設(shè)計試驗構(gòu)件的基本配方，相關(guān)內(nèi)容如下表3所示。

表3 試驗構(gòu)件的基本配方

按照上述配方與比例，進行試驗構(gòu)件的制備。

2 連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座減震性能分析

2.1 輸入不同地震動

為實現(xiàn)對不同地震激勵下連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座減震性能分析，掌握在不同地震激勵條件下支座的綜合性能，需要在測試前，使用有限元建模軟件，在Midas Civil界面中建立連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座結(jié)構(gòu)有限元模型[6-7]。在不考慮連續(xù)橋梁樁體結(jié)構(gòu)與土體結(jié)構(gòu)相互作用力的條件下，根據(jù)橡膠材料的彈性優(yōu)勢，建立單元結(jié)構(gòu)模型，此時默認連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的墩底呈現(xiàn)固結(jié)狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，采用一般連接模擬的方式進行連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座連接。明確連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座的物理參數(shù)[8-10]。如表4所示。

表4 連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座的物理參數(shù)

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，使用75 a超越概率3.5%的人工地震加速度曲線作為地震動的輸入?yún)?shù)。設(shè)計地震動錄入方式，如下圖1所示。

圖1 地震動輸入方式

從上述圖1中可以看出，所選的輸入地震動最大值為0.6 gm/s2。根據(jù)測試中的實際要求，可選擇不同的地震加速度作為地震激勵變量條件。按照上述方式，完成對不同地震動的輸入設(shè)計。

2.2 不同地震激勵下支座截面內(nèi)力計算

參照橡膠的分子動力學(xué)原理，對連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座在地震作用下動力方程進行設(shè)計。如下計算公式所示。

式（1）中：A表示連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座在地震作用下動力方程；f表示分子動力函數(shù)；r表示截面尺寸；M表示配筋量；l表示橋墩底部長度；i表示支座支撐點數(shù)量。假定其他參數(shù)不變的條件下，計算不同地震激勵下支座截面內(nèi)力。計算公式如下。

式（2）中：F表示支座截面內(nèi)力；k表示相對位移；y表示剛度模型；a表示修正雙線性函數(shù)；z表示樁土效應(yīng)。根據(jù)不同地震激勵下支座截面內(nèi)力，分析連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座的抗震性能。

3 結(jié)果與結(jié)論

根據(jù)連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座結(jié)構(gòu)中橡膠材料的化學(xué)回填性能，進行支座減震性能的綜合分析。在此過程中，設(shè)定地震加速度參數(shù)為0.2 gm/s2、0.4 gm/s2、0.6 gm/s2。將地震加速度作為變量的同時，根據(jù)橡膠的不同化學(xué)回彈系數(shù)（取值在0～1之間，取值越趨近于1，證明其回彈性能越好），進行連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座減震性能的分析。

3.1 彎矩分析

將連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座結(jié)構(gòu)在不同地震波下的彎矩值作為檢驗抗震能力的關(guān)鍵指標，對其彎矩值可通過下述公式進行計算。計算公式如下。

式（3）中：Q表示彎矩；θ表示轉(zhuǎn)角；E表示轉(zhuǎn)動系數(shù)；I表示剛度；L表示結(jié)構(gòu)的有效計算長度。統(tǒng)計測試結(jié)果如下表5所示。

表5 連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座彎矩分析

從上述表5所示的結(jié)果可以看出，在地震加速度參數(shù)相同的條件下，隨著橡膠的化學(xué)回彈系數(shù)的增加，橡膠支座彎矩呈現(xiàn)增加趨勢，說明連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座的抗震性能與橡膠的化學(xué)回彈系數(shù)兩者呈現(xiàn)正比例關(guān)系。

在橡膠的化學(xué)回彈系數(shù)相同的條件下，隨著地震加速度參數(shù)的增加，橡膠支座彎矩呈現(xiàn)增加趨勢，說明連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座的抗震性能與地震加速度參數(shù)呈現(xiàn)正比例關(guān)系。

綜合上述表中內(nèi)容，當?shù)卣鸺铀俣葏?shù)為0.6 gm/s2、橡膠的化學(xué)回彈系數(shù)在0.6～1.0范圍內(nèi)時，橡膠支座彎矩達到最大值，此時，連續(xù)梁高阻尼橡膠支座的抗震性能達到最佳。

3.2 支座變形位移分析

按照上述條件，設(shè)計橡膠材料中不同硫化氫材料的添加，進行支座變形量分析測試。添加量如表6所示。

表6 橡膠材料中不同硫化氫材料的添加

對不同硫化氫添加量下的支座變形位移進行測試，測試結(jié)果如下圖2所示。

圖2 支座變形

上述圖2中，c、b、a分別代表20%、30%、40%硫化氫添加量下，連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座的位移量。根據(jù)圖2中三條曲線的變化情況可以看出，硫化氫添加量為40%時，支座變形量達到最大，但在完成地震波的錄入后，支座發(fā)生了回彈，位移量轉(zhuǎn)變?yōu)?。通過上述分析可以證明，連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座在受到外界地震波的影響時，會發(fā)生彈性位移，彈性位移會隨著地震加速度的增加而呈現(xiàn)對應(yīng)的增加趨勢。與此同時，硫化氫的添加量會在一定程度上對支座的彈性性能造成影響。在合理范圍內(nèi)，隨著硫化氫含量的增加，連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座結(jié)構(gòu)中橡膠材料的彈性越大。

4 結(jié)語

綜上所述，在不同地震激勵條件下，連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座的減震性能存在較大差異。為探究具體減震性能的變化情況，本文開展了不同地震激勵下連續(xù)梁橋高阻尼橡膠支座減震性能的研究。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，當?shù)卣鸺顥l件改變后，由于橡膠材料的化學(xué)組成成分受到了地震激勵的影響，使得支座結(jié)構(gòu)的內(nèi)力發(fā)生了改變，同時支座在不均勻內(nèi)力的情況下，也會出現(xiàn)明顯的變形和位移。因此，在開展連續(xù)梁橋建設(shè)施工時，應(yīng)當充分遵循支座結(jié)構(gòu)在不同地震激勵條件下的特殊性能，對建設(shè)方案進行合理調(diào)整，從而確保施工和后續(xù)梁橋使用階段能夠更好地發(fā)揮高阻尼橡膠材料的化學(xué)性能，使支座具有良好的減震性，保障連續(xù)梁橋的質(zhì)量，也為路過的車輛和行人生命財產(chǎn)安全提供更有力的保障條件。