鉛芯橡膠支座在舊橋抗震加固中的應(yīng)用

米曦亮，胡 鵬

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京市100082)

鉛芯橡膠支座在舊橋抗震加固中的應(yīng)用

米曦亮，胡 鵬

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京市100082)

針對某舊橋不滿足抗震性能要求的問題，提出采用鉛芯橡膠支座進(jìn)行減震。以雙線性模型模擬支座，并選取合適的地震波時程對橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行時程分析。結(jié)果表明，E2地震下結(jié)構(gòu)內(nèi)力大幅削減，變形滿足要求，實(shí)現(xiàn)了抗震加固的目標(biāo)。

舊橋;鉛芯橡膠支座;抗震加固;時程分析

0 引言

根據(jù)中國公路學(xué)會報告，到2013年底，全國共有公路橋梁73.53萬座，市政橋梁約5萬座，我國已經(jīng)躋身于世界橋梁大國［1］。但另一方面，大量興建于上世紀(jì)八九十年代的橋梁經(jīng)過二三十年的服役，已經(jīng)出現(xiàn)了種種病害，橋梁局部構(gòu)件損壞、整體垮塌等現(xiàn)象屢有發(fā)生。而橋梁抗震設(shè)計理論也不斷發(fā)展，抗震設(shè)計方法已經(jīng)從原來的擬靜力法發(fā)展到現(xiàn)在的延性設(shè)計理論，從僅關(guān)注結(jié)構(gòu)在多遇地震下的承載能力發(fā)展到確保結(jié)構(gòu)在E2地震下不出現(xiàn)整體垮塌，對橋梁下部結(jié)構(gòu)能力保護(hù)設(shè)計提出了明確的要求，部分老舊橋梁已經(jīng)不能滿足新的抗震要求。綜合前面的原因，對老舊橋梁的改造已經(jīng)迫在眉睫。橋梁上部結(jié)構(gòu)的加固方式較多，粘鋼板、增設(shè)鋼托梁、張拉體外預(yù)應(yīng)力等都是成熟可靠的方法，而下部結(jié)構(gòu)的加固方式則相對較少，本文提出采用更換鉛芯橡膠支座來進(jìn)行減震設(shè)計，減小下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力，使其在E2地震作用下滿足抗震性能要求。

1 某現(xiàn)況橋梁簡介

北京地區(qū)某現(xiàn)況橋梁興建于1985年，長1 km，寬15 m，上部結(jié)構(gòu)為50跨20 m簡支T梁，下部結(jié)構(gòu)為排架式墩柱接蓋梁形式，基礎(chǔ)為1.5 m鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)系梁連接。該橋梁位于交通量繁重的郊區(qū)二級道路上，貨運(yùn)大車較多，經(jīng)過二十多年的使用橋梁已經(jīng)出現(xiàn)較多病害(見圖1)。

2010年，在對橋梁所處道路進(jìn)行改擴(kuò)建之前，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的檢測評估和計算分析，橋梁的抗震驗(yàn)算結(jié)果如下:

圖1 現(xiàn)況橋梁實(shí)景

(1)在E1地震下，下部結(jié)構(gòu)滿足承載力要求;

(2)在E2地震下，墩柱斜截面抗剪、蓋梁正截面抗彎承載能力不滿足能力保護(hù)構(gòu)件要求;

(3)墩柱和樁基的箍筋配置較少，潛在塑性鉸區(qū)域未加密，不滿足抗震構(gòu)造要求，延性不足。

針對上述問題，本文擬采用鉛芯橡膠支座對橋梁進(jìn)行減震設(shè)計，目標(biāo)是減小E2地震下部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，使其仍處于彈性范圍內(nèi)。這樣，就能避免因主筋和箍筋不足造成的不滿足塑性鉸區(qū)域構(gòu)造要求問題和不滿足能力保護(hù)要求問題。

2 鉛芯橡膠支座的力學(xué)性能

鉛芯橡膠支座是在普通板式橡膠支座的中部或中心周圍部位豎直壓入一個或幾個高純度鉛芯制成的，通過鉛芯的剪切變形來吸收耗散振動能量。鉛芯橡膠支座具有構(gòu)造簡單、加工制造容易、安裝方便、設(shè)計阻尼有較大的靈活性(調(diào)節(jié)鉛芯的幾何尺寸)、耐疲勞性能好、在常態(tài)下剛度較大等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)際中就得到了廣泛應(yīng)用。在我國、日本、美國和新西蘭等國已建造了一千余座此類隔震結(jié)構(gòu)，其中數(shù)座在1994年美國北嶺地震和1995年日本阪神地震中經(jīng)受了強(qiáng)烈地震動的考驗(yàn)，顯現(xiàn)了良好的隔震效能［2］。

鉛芯橡膠支座的本構(gòu)關(guān)系是非線性的，最常用分析模型是雙線性分析模型，模型圖如2所示。

圖2 鉛芯橡膠支座的雙線性分析模型圖

在雙線性模型中，主要力學(xué)參數(shù)包括彈性剛度Ku、屈服后剛度Kd、特征強(qiáng)度Qd等。對于這些力學(xué)參數(shù)與支座的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在一些國外規(guī)范及國內(nèi)外文獻(xiàn)中均有研究。日本橋梁免振設(shè)計條例提出了修正的雙線性模型，其中彈性剛度Ku和屈服后剛度Kd隨支座變化耳變化，但特征強(qiáng)度Qd保持為常數(shù)，這與試驗(yàn)結(jié)果不符，實(shí)際中采用較少;新西蘭規(guī)范MWD CD818/A(1981)中，彈性剛度Ku和屈服后剛度Kd的比例關(guān)系為6.5，特征強(qiáng)度Qd為7.06D2(D為鉛芯直徑，mm)［3］。近些年來，國內(nèi)較多研究者通過試驗(yàn)，亦提出了自己的本構(gòu)關(guān)系模型。本文主要參考鐵道科學(xué)研究院吳彬、莊軍生等提出的雙線性模型力學(xué)參數(shù)計算公式［4］，按OVMY2Q300及OVMY4Q300支座結(jié)構(gòu)參數(shù)計算得到支座的力學(xué)模型。

3 計算模型

采用Midas/Civil 2006軟件建立空間桿系模型，模擬支座的非線性本構(gòu)關(guān)系，輸入地震波進(jìn)行時程分析。分析方法采用直接積分法，通過非線性迭代計算求得結(jié)構(gòu)在各時間步的響應(yīng)，結(jié)構(gòu)阻尼采用振型阻尼0.05。

3.1 結(jié)構(gòu)模型

各結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用空間梁單元模擬，上部結(jié)構(gòu)恒載以集中力均勻施加在各支座處;樁側(cè)土約束根據(jù)“m”法用土彈簧模擬其水平約束剛度。圖3為下部結(jié)構(gòu)計算模型圖。

圖3 下部結(jié)構(gòu)計算模型圖

3.2 支座力學(xué)模型

由靜力計算得到，現(xiàn)況T梁單個支座所承受的最大反力約為285 kN，考慮到此次加固換梁的可能性，采用OVMY2Q300或OVMY4Q300支座，支座承載力440 kN，支座結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所列。

表1 OVM鉛芯橡膠支座結(jié)構(gòu)參數(shù)表

支座力學(xué)參數(shù)計算公式如下:

式中:Gu為支座的剪切模量，與剪切應(yīng)變關(guān)系較大，在應(yīng)變大于50%情基本穩(wěn)定;Apb為鉛芯的橫截面面積，單位mm2;Hpb為鉛芯的有效變形高度，等于橡膠總厚度，mm。

式中:Apb為鉛芯的橫截面面積，m2。

表2為OVM鉛芯橡膠與壓力學(xué)參數(shù)表，圖4為OVMY4Q300支座本構(gòu)關(guān)系模型圖。

表2 OVM鉛芯橡膠支座力學(xué)參數(shù)表

圖4 OVMY4Q300支座本構(gòu)關(guān)系模型圖

3.3 地震波檢驗(yàn)

由于橋位處未做地震安全性評價，故只能采用與抗震細(xì)則中加速度反應(yīng)譜兼容的實(shí)際地震波或人工合成時程計算。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2001)第5.1.2條規(guī)定，地震加速度時程應(yīng)滿足地震動三要素的要求，即頻譜特性、有效加速度峰值和持續(xù)時間要符合規(guī)定。

根據(jù)1978年美國ATC-3規(guī)范，在阻尼比為5%的加速度反應(yīng)譜中取周期為0.1～0.5 s之間的值平均為Sa，在阻尼比為5%的速度反應(yīng)譜中取周期為0.5～2 s之間的值平均為Sv(或取1 s附近的平均速度反應(yīng)譜)。地震波的三要素計算如下:

有效峰值加速度EPA=Sa/2.5

有效峰值速度 EPV=Sv/2.5

特征周期 Tg=2π·EPV/EPA

有效峰值加速度EPA應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2001)表5.1.2-2的要求:對于設(shè)防烈度8度，動峰值0.2 g地區(qū)的罕遇地震，時程曲線最大值應(yīng)為0.4 g;特征周期Tg應(yīng)與橋位場地特征周期相同或接近;持續(xù)時間取地震動幅值大于0.05 g的時間總和。在計算中采用1940 EI Centro Site，180Deg時程及某人工合成時程分別進(jìn)行檢驗(yàn)，選擇合適的時程用于減振計算(見圖5～圖10)。

圖5 1940年EI Centro Site,180De9時程曲線圖

圖6 某人工合成時程曲線圖

圖7 EI Centro Site時程對應(yīng)的絕對加速度反應(yīng)譜曲線圖

圖8 EI Centro Site時程對應(yīng)的近似速度反應(yīng)譜曲線圖

圖9 某人工合成時程對應(yīng)的絕對加速度反應(yīng)譜曲線圖

圖10 某人工合成時程對應(yīng)的近似速度反應(yīng)譜曲線圖

從圖5～圖10可以得到，對于1940 EI Centro Site，180Deg時程，Sa=0.5 g，Sv=0.5 m/s，由此可得，EPA=0.2 g，EPV=0.2 m/s，Tg=2×3.1416×0.2/2=0.63(s);

對于人工合成時程，Sa=9.1 m/s2，Sv=1.05 m/s，由此可得，EPA=3.64 m/s2，EPV=0.42 m/s，Tg=2× 3.1416×0.42/3.64=0.72(s)。

兩條時程的特征周期均與場地特征周期0.35 s有一定差距，有效加速度峰值可以通過放大系數(shù)調(diào)整;從持續(xù)時間看，35 s以后兩條時程的幅值均小于0.05 g。從加速度反應(yīng)譜看，人工合成時程與規(guī)范反應(yīng)譜形狀更為接近，故取其計算。通過放大系數(shù)1.1調(diào)整幅值至0.4 g。

4 計算結(jié)果

分別計算了不采用鉛芯支座時結(jié)構(gòu)在E2規(guī)范反應(yīng)譜、人工時程下的響應(yīng)，以及采用鉛芯支座(OVMY2Q300、OVMY4Q300)減振時結(jié)構(gòu)在人工時程下的響應(yīng)(見圖11、圖12及表3)。

圖11 不采用鉛芯支座時在人工合成時程下中墩墩底截面縱向彎矩時程曲線圖

圖12 采用OVMY4Q300支座時在人工合成時程下中墩墩底截面縱向彎矩時程曲線圖

表3 各項(xiàng)工況計算結(jié)果匯總表

結(jié)論:

(1)人工時程得到的最大內(nèi)力略大于反應(yīng)譜結(jié)果，時程取用合適。

(2)采用OVMY4Q300支座時，墩柱內(nèi)力及樁基最大彎矩減少約52%，減振效果明顯，經(jīng)驗(yàn)算，墩柱及樁基承載能力滿足要求。主梁相對于蓋梁的縱向位移最大為3.8 cm，變位較小，現(xiàn)有變形縫寬度滿足位移要求。

5 結(jié)語

本文采用國內(nèi)學(xué)者提出的參數(shù)計算公式以雙線性模型模擬鉛芯橡膠支座，對該支座在某舊橋抗震加固中的減震性能進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過頻譜特性、有效加速度峰值和持續(xù)時間等三要素的檢驗(yàn)，選定了適合橋梁場地特性的地震波。地震波時程分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在E2地震下的內(nèi)力得到了大幅削減，仍處于彈性工作范圍，滿足了《公路橋梁抗震細(xì)則》的要求，實(shí)現(xiàn)了抗震加固的目標(biāo)。

［1］ 趙君黎. 公路橋梁學(xué)科發(fā)展 ［A］. 2014年全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集［C］.珠海:2014.

［2］ 江宜城，聶肅非，葉志雄，李黎. 多鉛芯橡膠隔震支座非線性力學(xué)性能試驗(yàn)研究及其顯式有限元分析［J］. 工程力學(xué)，2008，25(7).

［3］ 張輝，戴公連. 武廣高速鐵路陳村水道特大橋地震響應(yīng)及支座優(yōu)化研究［J］. 城市道橋與防洪，2008，(7).

［4］ 吳彬，莊軍生，臧曉秋. 鉛芯橡膠支座的非線性動態(tài)分析力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)研究［J］工程力學(xué)，2004，21(5).

U455.7+2

B

1009-7716(2015)04-0074-04

2015-01-23

米曦亮(1982-)，男，湖南岳陽人，工程師，從事橋梁工程設(shè)計工作。