橡膠防撞墊片參數(shù)對(duì)曲線橋力學(xué)特性的影響

宋波+程景霞+王彥旭+畢澤鋒

摘要：基于某兩聯(lián)曲線橋建立了計(jì)算模型，通過橫橋向橡膠防撞墊片的設(shè)置，研究了橡膠墊片設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)曲線橋動(dòng)力特性的影響。結(jié)果表明：橡膠墊片的加設(shè)使曲線橋旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)轉(zhuǎn)移，位移偏移方向改變；在設(shè)置橡膠墊片時(shí)，應(yīng)考慮橡膠墊片的剛度以保證墊片作用力最大值不超過其極限值，避免梁體出現(xiàn)偏移；通過墊片的加設(shè)可以減弱梁體與擋塊的碰撞，降低墩底曲率延性需求系數(shù)；隨著間隙值的增大，橡膠墊片利用率明顯下降，相對(duì)墊片的負(fù)荷增大，在保證曲線橋溫度正常服役變形要求的前提下盡量減小間隙值的取值；隨著硬度的增大，橡膠墊片強(qiáng)度增大，變形能力減弱，進(jìn)而造成橡膠墊片利用率降低，建議選取邵氏硬度55作為橡膠墊片的首選值。

關(guān)鍵詞：曲線橋；橡膠墊片；力學(xué)特性；間隙值；硬度

中圖分類號(hào)：TU311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： The calculation model was established based on a curved bridge with twolinking， and the influences of parameters of rubber gasket on mechanical characteristic of curved bridge were studied. The results show that application of rubber gasket make the rotation center of curved bridge transfer and the offset direction change. When rubber gasket is arranged， the stiffness of rubber gasket should be considered to ensure that the maximum force of gasket doesnt exceed the limit value， and the deviation of beam body is avoided. The impact of beam body and block stop can be reduced by addition of gasket， and the curvature ductility demand coefficient of pier bottom can be reduced. The utilization rate of rubber gasket decreases obviously and the load of relative gasket increases with the increase of gap value. Under the premise of ensuring the normal service deformation requirements of temperature of curved bridge， the gap value should be reduced as far as possible. With the increase of hardness， the strength of rubber gasket increases， the deformation ability is weakened， and the utilization rate of rubber gasket is reduced. It is suggested that the Shore hardness value of 55 is taken as the first choice of rubber gasket.

Key words： curved bridge； rubber gasket； mechanical characteristic； gap value； hardness

0引言

2008年中國(guó)四川省汶川縣發(fā)生8.0級(jí)地震，造成大量公路橋梁破壞，該地區(qū)的橋梁主要為連續(xù)簡(jiǎn)支梁橋，支座多為直接擱置的板式橡膠支座，地震中穩(wěn)定性較差，主梁與橋墩連接較為薄弱，更多地發(fā)生橫向、縱向移位，乃至最終落梁[1]。中國(guó)地震局2015年11月3日發(fā)布中國(guó)第5代地震區(qū)劃圖，該區(qū)劃圖以抗倒塌為設(shè)防目標(biāo)，罕遇地震作用橋在該區(qū)劃圖中得到充分體現(xiàn)。然而罕遇地震作用下曲線橋主梁梁體與橫橋向擋塊碰撞受損嚴(yán)重，縱向、橫向相對(duì)位移過大易發(fā)生落梁，給災(zāi)后救援增加了難度。本文基于曲線橋橫橋向橡膠墊片的設(shè)置，為防止曲線橋橫橋向相對(duì)位移過大而導(dǎo)致落梁坍塌，提出了較為經(jīng)濟(jì)合理的措施。

現(xiàn)階段各國(guó)對(duì)曲線梁橋的抗震性能進(jìn)行了初步探究。朱東升等[2]采用反應(yīng)譜法計(jì)算了曲線橋地震反應(yīng)，研究了計(jì)算精度、計(jì)算中需選取的振型數(shù)及最大值的組合方法；聶利英等[3]基于位移和多級(jí)設(shè)防的橋梁抗震設(shè)計(jì)思想對(duì)曲線梁的抗震性能進(jìn)行了評(píng)估。在數(shù)值仿真分析方面，魏雙科等[4]提出了一種雙脊骨空間有限元模型以模擬和分析立交橋曲線箱梁的固有振動(dòng)特性和動(dòng)力反應(yīng)。曲線梁橋碰撞破壞的研究開展相對(duì)較少，李黎等[56]研究了公路和城市立交曲線梁橋的相鄰梁體碰撞地震反應(yīng)，分析了鉛芯橡膠支座對(duì)鄰橋碰撞反應(yīng)的影響；郭安薪等[7]研究了針對(duì)高架橋梁碰撞的磁流變阻尼器（MR）半主動(dòng)控制以及采用形狀記憶合金（SMA）限位器的落梁控制；Shrestha等[8]研究了梁間形狀記憶合金的連梁裝置在罕遇地震作用下的有效性；Khatiwada等[9]基于考慮線性、非線性力位移關(guān)系的模型，研究了鄰梁間的碰撞效應(yīng)及碰撞力；黃勇等[10]研究了汶川地震中小半徑曲線連續(xù)梁橋不同下部結(jié)構(gòu)形式及固定墩上下部結(jié)構(gòu)不同連接方式對(duì)曲線梁橋抗震性能的影響；王陽(yáng)春等[11]指出地震波輸入方式、墩梁約束形式、寬度和跨徑的改變對(duì)小半徑匝道曲線梁橋地震響應(yīng)的影響較大；王軍文等[12]研究了橫橋向地震作用下非規(guī)則梁橋梁體與抗震擋塊間的碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)橫橋向地震反應(yīng)的影響；徐略勤等[13]研究了考慮上部梁體與防震擋塊間橫向碰撞效應(yīng)的非規(guī)則梁橋橫向地震力分布規(guī)律；石巖等[14]建立了考慮偏心距、橋墩彈塑性、樁土相互作用等因素的合理碰撞模型；鄧育林等[15]研究了橫向地震作用下梁體與擋塊間的碰撞效應(yīng)，推導(dǎo)出阻尼常數(shù)與恢復(fù)系數(shù)間的關(guān)系表達(dá)式，并提出了為減小梁體與橫橋向擋塊間碰撞效應(yīng)的擋塊剛度合理取值。

本文以某兩聯(lián)八跨曲線橋作為研究對(duì)象，考慮碰撞過程中的能量損失，建立了加設(shè)橫橋向橡膠防撞墊片裝置的計(jì)算模型，分析了橫橋向橡膠防撞墊片設(shè)置前后曲線橋動(dòng)力特性的改變，并對(duì)間隙值、橡膠硬度等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析。

1橡膠防撞墊片作用機(jī)理

加設(shè)橫向防撞橡膠墊片的曲線橋梁間與擋塊的計(jì)算模型[圖1（a）]設(shè)置了2個(gè)間隙單元，其作用原理為：當(dāng)上部梁體與橡膠墊片的相對(duì)距離為0時(shí)，橡膠墊片的間隙單元開始發(fā)揮作用，橡膠墊片承受壓應(yīng)力進(jìn)而發(fā)生壓縮變形；隨著該過程的持續(xù)，當(dāng)梁體與擋塊間的相對(duì)距離減小到0時(shí)，梁體與擋塊橫向碰撞的第2個(gè)間隙單元開始發(fā)揮作用，而梁體與橡膠墊片的間隙單元在此時(shí)退出工作，即代表橡膠墊片失效。碰撞過程中的恢復(fù)力特性如圖1（b）所示（其中，F(xiàn)為恢復(fù)力，u為位移），在對(duì)防撞橡膠墊片進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)通常改變上部梁體與橡膠墊片的間隙d0、橡膠墊片與橫橋向擋塊的間隙d1，以及橡膠墊片剛度k1、碰撞剛度k2等，進(jìn)而分析其對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞反應(yīng)和結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力響應(yīng)的影響。

4.2橡膠墊片硬度對(duì)曲線橋動(dòng)力響應(yīng)影響

沿各墩分別提取不同橡膠墊片硬度所對(duì)應(yīng)的梁體與墩頂?shù)南鄬?duì)徑向位移，如圖10所示。天津波作用下除7#墩外其余各墩相對(duì)徑向位移均隨著橡膠墊片硬度的增大而減小，7#墩處相對(duì)徑向位移較無(wú)橡膠墊片時(shí)增大；T1Ⅲ波作用下各墩相對(duì)徑向位移基本隨著橡膠墊片硬度的增大而減小，相對(duì)徑向位移減小值最大出現(xiàn)在2#墩處，減小52.3%。在不同地震動(dòng)作用下，曲線橋上部梁體與墩頂?shù)南鄬?duì)徑向位移基本都包絡(luò)在無(wú)橡膠墊片的曲線內(nèi)，隨著橡膠墊片硬度的增大，梁體與墩頂?shù)南鄬?duì)徑向位移基本呈減小的規(guī)律，但個(gè)別墩處易發(fā)生突變，選取橡膠墊片硬度值時(shí)應(yīng)著重考慮這類突變對(duì)曲線橋整體動(dòng)力特性的影響。

不同橡膠墊片硬度時(shí)防撞橡膠墊片利用率如圖11所示。同各墩防撞橡膠墊片的利用率極限值相比，隨著硬度的增大，2#墩處曲線橋保持偏右的運(yùn)動(dòng)，右邊橡膠墊片承擔(dān)負(fù)荷大；第1聯(lián)5#墩處左右兩邊橡膠墊片的作用力同極限值比值的最小值分別為0.28，0.55，表明在該處曲線橋仍偏右運(yùn)動(dòng)，第2聯(lián)5#墩處該比值分別為0.65，0.56；9#墩與第2聯(lián)5#墩處的規(guī)律相同。隨著橡膠墊片硬度增大，梁體與擋塊間橡膠墊片作用力最大值同極限值的比值呈減小趨勢(shì)，即隨著硬度的增大，橡膠墊片強(qiáng)度增大，圖11不同橡膠墊片硬度時(shí)的利用率變形能力減弱，進(jìn)而造成橡膠墊片利用率降低。

5結(jié)語(yǔ)

（1）由于橫橋向防撞橡膠墊片的加設(shè)，曲線橋運(yùn)動(dòng)形式發(fā)生改變，梁體與墩頂相對(duì)徑向位移減小明顯，在設(shè)置橡膠墊片時(shí)，考慮橡膠墊片的剛度以保證橡膠墊片最大碰撞力不超過其極限值，避免梁體出現(xiàn)偏移；另外，通過橡膠墊片的加設(shè)可以有效減弱梁體與擋塊的碰撞，耗散能量，降低墩底曲率延性需求系數(shù)。

（2）隨著間隙值的增大，曲線橋梁體與墩頂?shù)南鄬?duì)徑向位移變化規(guī)律呈非線性增大，橡膠墊片利用率明顯下降，同時(shí)增大了橡膠墊片的負(fù)荷，梁體與擋塊的橫向碰撞力呈增大趨勢(shì)。因此，在保證曲線橋溫度正常服役變形要求的前提下盡量減小間隙值的取值。

（3）隨著橡膠墊片硬度的增大，梁體與墩頂?shù)南鄬?duì)徑向位移減小，梁體與擋塊橫向碰撞反應(yīng)減弱，但橡膠墊片強(qiáng)度增大，變形能力會(huì)相應(yīng)減弱，進(jìn)而造成橡膠墊片利用率降低。通過綜合比選各指標(biāo)，建議對(duì)于類似曲線橋，橡膠墊片邵氏硬度55為首選值。

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