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摘 要:板式橡胶支座的老化和偏压甚至脱空对桥梁抗震安全至关重要。将板式橡胶支座进行室内老化试验并测得弹性模量,按老化程度和轴压偏心大小共分16个工况,采用拟静力试验对比分析了热老化、偏压脱空及其耦合下支座的抗震性能指标及变化规律。结果发现:偏心受压下支座滞回曲线较为狭长,滞回曲线面积和等效阻尼比减小,水平等效刚度增大;老化后的支座剪切变形量缩减,在给定的位移幅值下,因滑移量占比加大,滞回曲线更为饱满,对应的等效阻尼比增大;老化和偏心耦合状态下的滞回曲线斜率更为平缓,支座耗能能力明显削弱;位于梁端或长期处于偏压状态的普通板式橡胶支座在地震中存在因单向累计滑移过大而脱落的风险。桥梁维护中应对支座底面采取限位措施,并对偏心受压严重的支座进行及时调整。
关键词:桥梁工程;减隔振性能;拟静力试验;橡胶支座;热老化;偏心受压
中图分类号:U441;TU317 文献标志码:A 文章编号:2096-6717(2021)03-0051-08
Abstract: The aging eccentric compression, and even void of plate rubber bearings are very important for the seismic safety of bridges. The elastic modulus of plate rubber bearing was measured by indoor aging test. According to the degree of aging and eccentric compression the quasi-static test is divided into 16 cases, and the seismic performance indexes and change rules of the bearings under thermal aging, eccentric pressure and coupling are compared and analyzed. The results show that the hysteresis curve of the bearings under eccentric compression is relatively narrow. The area and equivalent damping ratio of the hysteresis curve decrease, and the horizontal equivalent stiffness of bearing increases. After aging, the shear deformation of the bearings decreases, the hysteresis curve is fuller with the increase of slip ratio for the given displacement amplitude, and the corresponding equivalent damping ratio increases. Under the condition of aging and eccentric compression, the slope of hysteresis curve is more gentle, and the energy dissipation capacity of bearing is obviously weakened. It is found that the beam end or the common plate rubber bearing that is under eccentric compression for a long time has the risk of falling off due to the excessive unidirectional accumulative slip in earthquake. It is suggested that in bridge maintenance, a limit device should be set on the underside of the bearing and timely adjust the bearing with severe eccentric compression.
Keywords: bridge engineering; damping performance; pseudo static test; rubber bearing; thermal ageing; eccentric compression
板式橡胶支座以其成本低、承载和变形能力优良而在中小跨径梁桥中被广泛应用。在桥梁减隔震设计中,板式橡胶支座因较小的阻尼比而通常被视为普通支座。但近二三十年的地震灾害表明,板式橡胶支座的剪切变形、摩擦滑移耗散了部分能量,减轻或延缓了桥墩的损伤[1]。因此,一些學者开始对板式橡胶支座的减隔震性能进行深入研究。其中,范立础等[2-3]、王东升等[4]较早对活动板式橡胶支座的动力性能进行研究,汶川地震后,板式橡胶支座的抗震性能从振动台试验、拟静力试验和数值模拟等方面得到了进一步探索[5-8],Kelly等[9]、Steelman 等[10-11]近年来也颇为重视地震作用下普通橡胶支座的性能特点及隔震机理,但上述研究均是在支座无病害的情况下进行的。实际工作中,由于工程因素与自然因素等原因,板式橡胶支座随着服役时间的增长不可避免地会出现老化、偏压脱空等病害[12],而这些病害是否会对支座的抗震性能造成影响,少数学者进行了初步探索。施卫星等[13]对叠层橡胶支座进行了拟静力试验,研究加载频率、剪切变形率、热老化对叠层橡胶支座的等效刚度、等效阻尼比等支座动态性能的影响。张子翔[14]采用仅能覆盖支座表面一部分的竖向加载板来模拟支座脱空,进而通过拟静力试验探究其恢复力特性。 可见,带病害板式橡胶支座抗震性能分析目前仅针对单一的老化或脱空状况,且研究尚不充分,而考虑两种病害并存状态下的研究尚未见报道。为此,笔者以无老化、支座老化、偏压脱空及两种病害耦合的支座为研究对象,以水平等效刚度、水平滑移量、等效阻尼比为指标,采用拟静力试验较为系统地对比分析了无老化支座与带病害支座的抗震性能,分析其变化规律,为在役公路梁桥的性能评估及抗震加固提供依据。
1 老化与偏心下支座拟静力试验设计
1.1 试件及主要试验设备
板式橡胶支座试件型号为GYZ250×41,其详细参数见表1。将支座按4块一组,依据老化时间共分为4组,分别为无老化、老化1、老化2、老化3。其中,老化1、老化2、老化3组为在老化箱中100 ℃下分别放置24、60、72 h,其对应的实际老化年限依据国家标准《硫化橡胶或热塑性橡胶应用阿累尼乌斯图推算寿命和最高使用温度》[15],由阿累尼乌斯(Arrhenius)公式可推算得到
已有研究表明,在老化反应温度变化不大时,活化能可视为常数[15-16],则式(1)等号右侧为定值,tl与ts间呈线性关系,结合文献[13]换算可得老化1、老化2、老化3分别对应实际老化年限约为4.2、10.5、12.6 a。测得各组支座的抗压弹性模量,取平均值列于表2。表中d为直径,S为形状系数,t为支座总厚度,te为橡胶层总厚度,t1为中间层橡胶厚度,t0为单层钢板厚度。
由表2可见,板式橡胶支座的抗压弹性模量随老化程度加剧而增大,这与文献[17]所述一致。
主要试验设备有门式反力钢架1套、25 t作动器及配套记录系统、30 t千斤顶和钢构件及配套螺杆、四氟滑板、位移传感器和数据采集仪。
1.2 试验装置设计
竖向和水平加载试验装置设计如图1(a)所示。其中,支座竖向力由位于下方的千斤顶施加,具体为千斤顶活塞穿过千斤顶上钢板中间的预设圆孔施加于球铰,进而将压力传递给支座,支座在反力件和反力门架的约束下竖向受压。水平加载由水平放置的作动器施加,作动器以反力墙为支撑,通过推拉钢板对支座施加水平力。推拉钢板上表面与反力件间设置四氟滑板,便于其水平往复运动,而推拉钢板下表面与支座顶面直接接触,这与实际工程中支座表面所受梁底一般性接触约束的边界条件相一致。同时,在水平向设置位移传感器用于采集推拉钢板和支座上下端的位移值。组装完成后的试验装置照片见图1(b)。
2 试验过程及结果
千斤顶施加的竖向荷载参考百花大桥作用于支座上的压强[18],经计算确定试验加载力为214 kN。竖向荷载稳定后由作动器采用位移控制进行低频水平加载,加载位移的幅值参考《城市桥梁检测与评定技术规范》[19]并结合试验装置尺寸取大于极限应变的35、40 mm,每个幅值加载3个循环。每个支座的加载为一个工况,共16个工况,具体见表3。支座剪切变形和偏压脱空如图2和图3所示,水平加载时由采集仪记录数据。图4给出了各工况的滞回曲线。
3 结果分析
3.1 滞回曲线图特征及初步分析
观察发现,图4中各种不同工况下的滞回曲线均存在两个共性特征。其一,当水平力卸载为0时,滞回曲线在水平坐标上的截距并不为0,该数值应为支座与顶底板间的相对滑移量。推定的理由是因决定支座变形的橡胶为超弹性体,在卸载后其不会存在残余变形,故往复运动中支座与钢板间势必出现相对滑移,这一点在实验中也被观察到。其二,就图中首个正向加载段曲线而言,斜率初期远大于后期,可见加载初期支座位移值应是静摩擦力对应的水平变形,而后出现明显拐点,斜率相对变缓但并不为零,且随着位移的加大,水平力仍在增长,表明滑移出现,但此时的位移值并非单纯的由支座滑动贡献,必然含有支座自身的剪切变形,即支座滑动与变形并存。
对比图4(a)、(d)可见,支座仅偏心受压时,滞回曲线更加狭长,曲线斜率较大,支座滑移量变小而变形量增大。同时,正负峰值荷载相较于无偏心工况,一个相对变大,另一个相对变小,说明在往复方向的加载过程中支座的受力状况并不一致。工况1和工况13相比,仅老化后的支座滞回曲线更加饱满,曲线斜率较小,滑移量更大,变形量缩减明显,且正负峰值荷载的绝对值略有降幅。而当老化和偏心耦合时,除体现上述单因素特征外,从图4(p)中还可以看出,随着水平加载进行,曲线斜率、峰值荷载皆逐渐减小,在往复方向运动中,支座的滑移量差异较大。
综上可见,支座老化和偏心距对滑移量、变形、荷载峰值均产生了影响。下面针对具体抗震性能指标作进一步分析。
3.2 水平等效刚度
选取各工况所得滞回曲线中的数据,提取峰值点按式(2)计算,获得中心加载与偏心加载下不同老化程度支座的水平等效刚度,如图5所示。
式中:K為水平等效刚度;Fi为第i次峰值点荷载;Xi为第i次峰值点位移。
由图5可见,随着热老化程度加剧,支座的水平等效刚度总体呈减小的趋势。与无偏心相比,轴压偏心的出现使支座的水平等效刚度增大。
探究偏心后支座水平等效刚度增大的原因,发现其与推拉行程中支座变形呈现的新特征有关。如图6所示,当支座处于偏心受压状态时,下方钢板呈现一定偏转,此时h1 提取位移計记录,结合滞回曲线在试验所设位移幅值下各往复循环中支座的滑移数据,经均值处理可得各工况支座的滑移量,如图7所示。
关键词:桥梁工程;减隔振性能;拟静力试验;橡胶支座;热老化;偏心受压
中图分类号:U441;TU317 文献标志码:A 文章编号:2096-6717(2021)03-0051-08
Abstract: The aging eccentric compression, and even void of plate rubber bearings are very important for the seismic safety of bridges. The elastic modulus of plate rubber bearing was measured by indoor aging test. According to the degree of aging and eccentric compression the quasi-static test is divided into 16 cases, and the seismic performance indexes and change rules of the bearings under thermal aging, eccentric pressure and coupling are compared and analyzed. The results show that the hysteresis curve of the bearings under eccentric compression is relatively narrow. The area and equivalent damping ratio of the hysteresis curve decrease, and the horizontal equivalent stiffness of bearing increases. After aging, the shear deformation of the bearings decreases, the hysteresis curve is fuller with the increase of slip ratio for the given displacement amplitude, and the corresponding equivalent damping ratio increases. Under the condition of aging and eccentric compression, the slope of hysteresis curve is more gentle, and the energy dissipation capacity of bearing is obviously weakened. It is found that the beam end or the common plate rubber bearing that is under eccentric compression for a long time has the risk of falling off due to the excessive unidirectional accumulative slip in earthquake. It is suggested that in bridge maintenance, a limit device should be set on the underside of the bearing and timely adjust the bearing with severe eccentric compression.
Keywords: bridge engineering; damping performance; pseudo static test; rubber bearing; thermal ageing; eccentric compression
板式橡胶支座以其成本低、承载和变形能力优良而在中小跨径梁桥中被广泛应用。在桥梁减隔震设计中,板式橡胶支座因较小的阻尼比而通常被视为普通支座。但近二三十年的地震灾害表明,板式橡胶支座的剪切变形、摩擦滑移耗散了部分能量,减轻或延缓了桥墩的损伤[1]。因此,一些學者开始对板式橡胶支座的减隔震性能进行深入研究。其中,范立础等[2-3]、王东升等[4]较早对活动板式橡胶支座的动力性能进行研究,汶川地震后,板式橡胶支座的抗震性能从振动台试验、拟静力试验和数值模拟等方面得到了进一步探索[5-8],Kelly等[9]、Steelman 等[10-11]近年来也颇为重视地震作用下普通橡胶支座的性能特点及隔震机理,但上述研究均是在支座无病害的情况下进行的。实际工作中,由于工程因素与自然因素等原因,板式橡胶支座随着服役时间的增长不可避免地会出现老化、偏压脱空等病害[12],而这些病害是否会对支座的抗震性能造成影响,少数学者进行了初步探索。施卫星等[13]对叠层橡胶支座进行了拟静力试验,研究加载频率、剪切变形率、热老化对叠层橡胶支座的等效刚度、等效阻尼比等支座动态性能的影响。张子翔[14]采用仅能覆盖支座表面一部分的竖向加载板来模拟支座脱空,进而通过拟静力试验探究其恢复力特性。 可见,带病害板式橡胶支座抗震性能分析目前仅针对单一的老化或脱空状况,且研究尚不充分,而考虑两种病害并存状态下的研究尚未见报道。为此,笔者以无老化、支座老化、偏压脱空及两种病害耦合的支座为研究对象,以水平等效刚度、水平滑移量、等效阻尼比为指标,采用拟静力试验较为系统地对比分析了无老化支座与带病害支座的抗震性能,分析其变化规律,为在役公路梁桥的性能评估及抗震加固提供依据。
1 老化与偏心下支座拟静力试验设计
1.1 试件及主要试验设备
板式橡胶支座试件型号为GYZ250×41,其详细参数见表1。将支座按4块一组,依据老化时间共分为4组,分别为无老化、老化1、老化2、老化3。其中,老化1、老化2、老化3组为在老化箱中100 ℃下分别放置24、60、72 h,其对应的实际老化年限依据国家标准《硫化橡胶或热塑性橡胶应用阿累尼乌斯图推算寿命和最高使用温度》[15],由阿累尼乌斯(Arrhenius)公式可推算得到
已有研究表明,在老化反应温度变化不大时,活化能可视为常数[15-16],则式(1)等号右侧为定值,tl与ts间呈线性关系,结合文献[13]换算可得老化1、老化2、老化3分别对应实际老化年限约为4.2、10.5、12.6 a。测得各组支座的抗压弹性模量,取平均值列于表2。表中d为直径,S为形状系数,t为支座总厚度,te为橡胶层总厚度,t1为中间层橡胶厚度,t0为单层钢板厚度。
由表2可见,板式橡胶支座的抗压弹性模量随老化程度加剧而增大,这与文献[17]所述一致。
主要试验设备有门式反力钢架1套、25 t作动器及配套记录系统、30 t千斤顶和钢构件及配套螺杆、四氟滑板、位移传感器和数据采集仪。
1.2 试验装置设计
竖向和水平加载试验装置设计如图1(a)所示。其中,支座竖向力由位于下方的千斤顶施加,具体为千斤顶活塞穿过千斤顶上钢板中间的预设圆孔施加于球铰,进而将压力传递给支座,支座在反力件和反力门架的约束下竖向受压。水平加载由水平放置的作动器施加,作动器以反力墙为支撑,通过推拉钢板对支座施加水平力。推拉钢板上表面与反力件间设置四氟滑板,便于其水平往复运动,而推拉钢板下表面与支座顶面直接接触,这与实际工程中支座表面所受梁底一般性接触约束的边界条件相一致。同时,在水平向设置位移传感器用于采集推拉钢板和支座上下端的位移值。组装完成后的试验装置照片见图1(b)。
2 试验过程及结果
千斤顶施加的竖向荷载参考百花大桥作用于支座上的压强[18],经计算确定试验加载力为214 kN。竖向荷载稳定后由作动器采用位移控制进行低频水平加载,加载位移的幅值参考《城市桥梁检测与评定技术规范》[19]并结合试验装置尺寸取大于极限应变的35、40 mm,每个幅值加载3个循环。每个支座的加载为一个工况,共16个工况,具体见表3。支座剪切变形和偏压脱空如图2和图3所示,水平加载时由采集仪记录数据。图4给出了各工况的滞回曲线。
3 结果分析
3.1 滞回曲线图特征及初步分析
观察发现,图4中各种不同工况下的滞回曲线均存在两个共性特征。其一,当水平力卸载为0时,滞回曲线在水平坐标上的截距并不为0,该数值应为支座与顶底板间的相对滑移量。推定的理由是因决定支座变形的橡胶为超弹性体,在卸载后其不会存在残余变形,故往复运动中支座与钢板间势必出现相对滑移,这一点在实验中也被观察到。其二,就图中首个正向加载段曲线而言,斜率初期远大于后期,可见加载初期支座位移值应是静摩擦力对应的水平变形,而后出现明显拐点,斜率相对变缓但并不为零,且随着位移的加大,水平力仍在增长,表明滑移出现,但此时的位移值并非单纯的由支座滑动贡献,必然含有支座自身的剪切变形,即支座滑动与变形并存。
对比图4(a)、(d)可见,支座仅偏心受压时,滞回曲线更加狭长,曲线斜率较大,支座滑移量变小而变形量增大。同时,正负峰值荷载相较于无偏心工况,一个相对变大,另一个相对变小,说明在往复方向的加载过程中支座的受力状况并不一致。工况1和工况13相比,仅老化后的支座滞回曲线更加饱满,曲线斜率较小,滑移量更大,变形量缩减明显,且正负峰值荷载的绝对值略有降幅。而当老化和偏心耦合时,除体现上述单因素特征外,从图4(p)中还可以看出,随着水平加载进行,曲线斜率、峰值荷载皆逐渐减小,在往复方向运动中,支座的滑移量差异较大。
综上可见,支座老化和偏心距对滑移量、变形、荷载峰值均产生了影响。下面针对具体抗震性能指标作进一步分析。
3.2 水平等效刚度
选取各工况所得滞回曲线中的数据,提取峰值点按式(2)计算,获得中心加载与偏心加载下不同老化程度支座的水平等效刚度,如图5所示。
式中:K為水平等效刚度;Fi为第i次峰值点荷载;Xi为第i次峰值点位移。
由图5可见,随着热老化程度加剧,支座的水平等效刚度总体呈减小的趋势。与无偏心相比,轴压偏心的出现使支座的水平等效刚度增大。
探究偏心后支座水平等效刚度增大的原因,发现其与推拉行程中支座变形呈现的新特征有关。如图6所示,当支座处于偏心受压状态时,下方钢板呈现一定偏转,此时h1