鉛芯隔震橡膠支座的低溫表現(xiàn)

2016-11-06 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

作者:資道銘韋亮陸莫曲浪

汶川大地震后,各界均對結構抗震技術進行了新的思考,用于橋梁的各種減隔震裝置也紛紛面世。其中,鉛芯隔震橡膠支座是最早被使用,并且應用得最廣泛的隔震產(chǎn)品。

不過,由于我國地域廣闊,各地的環(huán)境、氣候差異非常大,最低溫度從0℃ 到-40℃不等,所以,鉛芯隔震橡膠支座在低溫環(huán)境中的表現(xiàn)值得研究。

低溫對支座性能的影響

鉛芯隔震橡膠支座由橡膠層、鋼板等迭層粘結再灌入鉛芯棒組合而成(結構如圖1)。鋼板提高支座豎向剛度, 使之能有效地支承橋梁上部結構和建筑物結構;橡膠層賦予支座高彈性變形及復位和承載的功能;鉛金屬具有“再結晶”的性能,當支座發(fā)生剪切變形時,鉛芯棒會被擠壓變形、剪斷,而后又會慢慢結晶起來,這個過程中便會消耗能量,從而增大支座的阻尼。因此,鉛芯隔震橡膠支座既具有較高的承載性,又具有較大的阻尼、大水平位移能力和復位功能。

如圖2所示,影響鉛芯隔震橡膠支座水平性能的主要是支座的橡膠體及鉛芯棒。溫度變化對鉛芯隔震橡膠支座水平性能的影響也主要體現(xiàn)在對橡膠及金屬鉛的影響。

低溫對橡膠材料的影響

橡膠的低溫性能可以從兩方面考慮:一是橡膠的低溫脆性,二是橡膠在低溫下的結晶性能。鉛芯隔震橡膠支座一般使用的是天然橡膠,它的低溫脆性可達到-50℃以下,所以本文不再贅述。低溫對天然橡膠模量的影響,則是本文要研究的。

根據(jù)硫化橡膠壓縮耐寒系數(shù)的測定,我們對鉛芯隔震橡膠支座所用膠料在40℃、23℃、0℃、-10℃、-25℃、-4 0℃的彈性模量進行測試,測試結果見圖3,橡膠在-40℃時與23℃時的模量變化最大值為+24%。

低溫對支座的影響

影響鉛芯隔震橡膠支座水平性能的只有橡膠與鉛棒兩種材料。由于橡膠變化已經(jīng)測出,所以我們不再單獨檢測鉛的溫度性能,而是直接對支座進行不同溫度的檢測。圖4—圖7列出了支座在23℃、40℃、-25℃、-40℃時的溫度試驗滯回曲線。表1中列出了支座在不同溫度情況下的水平力學性能值。

圖8中列出了支座二次剛度、水平等效剛度、鉛芯屈服力及支座阻尼比隨著溫度改變的變化率。由圖可以看出, 與23℃試驗值相比,溫度從40℃至-40℃時,支座水平性能還是有一定變化的,但整體表現(xiàn)可控。其中,阻尼值變化在10%以內;鉛芯屈服力在-25℃以下時變化明顯增加, 說明極低溫對鉛芯材料的力學性能是有一定影響的;支座的二次剛度與等效剛度在-25℃時,分別增加了22%、19%,在-40℃時,分別增加了44%、39%。

支座整體耐低溫性能良好

鉛芯隔震橡膠支座所用的天然橡膠具有較好的耐低溫性能,在-40℃還未發(fā)生結晶。-25℃以下的溫度對鉛的性能影響較大,當溫度達到-40℃時,鉛芯屈服強度增加達到70%。由于鉛芯隔震橡膠支座所用的橡膠耐低溫性能較好,與鉛芯棒組合后的隔震支座整體耐低溫性能表現(xiàn)還比較理想。與23℃時相比,當溫度在-25℃、-40℃,二次剛度分別增加22%、44%,等效剛度增加19%、39%。當然,針對這些變化,還需要分析其對橋梁隔震效果的影響。

低溫對支座隔震效果的影響

針對鉛芯隔震橡膠支座隨溫度降低而出現(xiàn)的性能變化,本文對支座產(chǎn)生變化后的性能參數(shù)分別輸入實橋隔震體系,以分析溫度變化后橋梁隔震效果有何變化。由前文可知,在40℃、0℃、-10℃情況下,鉛芯隔震橡膠支座的性能變化比較小,所以我們只做23℃與-25℃、-40℃的比較,以了解支座用于低溫地區(qū)的邊際條件或注意事項。

建立計算模型

分析計算模型取整橋為研究對象,結構為3×20m+3×20m 兩聯(lián)連續(xù)箱梁,箱梁為單箱雙室截面。橋面寬10.5m,墩高最高10m、最矮3m,采用直徑為1.5m雙柱圓形墩,樁基采用單柱樁D160,橋梁立面圖如圖9、圖10所示。

所選的特征橋址所在地抗震設防烈度為8度,基本加速度峰值為0.2g,場地為Ⅱ類場地土,根據(jù)《抗震細則》的9.3.6條規(guī)定,混凝土梁橋、拱橋的阻尼比不宜大于0.05, 因此在這里取阻尼比為0.05。本橋抗震設防類別為B類,場地卓越周期Tg=0.35s,按抗震規(guī)范6.1.3,本橋屬于非規(guī)則橋梁。

依據(jù)空間梁格桿系理論,采用Midas/Civil 2012軟件進行計算分析,對結構模型進行非線性時程分析計算,邊界條件兩臺位置采用支座底固結,其他各墩采用墩底固結。建立全橋模型如圖11所示。

在建模時,各構件截面特性、連接方式及邊界條件均按實際情況確定,較為真實地模擬實際結構的力學特點。

為了對比橋梁低溫時隔震效果,并與傳統(tǒng)抗震方法相比較,現(xiàn)采用以下4種工況進行分析。

(1)支座布置為傳統(tǒng)的抗震結構方式:支座采用抗震盆式支座,2#、4#墩均采用固定盆式支座,其余墩、臺采用單向活動及雙向活動盆式支座。

(2)23℃時鉛芯隔震橡膠支座用于橋梁隔震效果分析。

(3)-25℃時鉛芯隔震橡膠支座用于橋梁隔震效果分析。

(4)-40℃時鉛芯隔震橡膠支座用于橋梁隔震效果分析。

地震動輸入

本橋在E1和E2地震作用下均可采用TH分析計算方法。

結合橋梁資料,根據(jù)抗震規(guī)范,該橋的抗震重要性系數(shù)Ci對E1地震作用取0.5、對E2地震作用取1.7,Cs場地系數(shù)取1,Cd阻尼調整系數(shù)取1,A設計基本加速度峰值取0.2g, 因此,水平設計加速度反應譜最大值Smax=2.25CiCsCdA, 對E1為2.205m/s2,對E2為7.4925m/s2。對應計算得到地震波加速度峰值對E1為0.98 m/s2,對E2為3.33 m/s2。

在進行該橋梁的地震時程響應計算時,依據(jù)公路工程抗震設計規(guī)范規(guī)定,應采用多條地震波進行計算分析。為便于比較,現(xiàn)選用三條實際記錄的地震波,根據(jù)計算得到的加速度峰值對地震波進行調整后,得到的地震波加速度時程曲線如圖12和圖13所示。

隔震方案及支座參數(shù)

在本文中,以下把未采取隔震裝置的橋梁結構簡稱為“抗震結構”,而把采用隔震裝置的結構簡稱為“隔震結構”。支座布置方案為:0#、6#臺及3#墩(左右)均采用J4Q420x420x125,而1#、2#、4#、5#墩均采用J4Q720x720x137。在本報告中對應23℃、-25℃及-40℃ 不同溫度情況,分別采取3種隔震方案,對上述不同抗震(隔震)結構的動力計算模型進行了相應的修改,對應不同溫度的隔震結構分別簡述為隔震一、隔震二、隔震三。支座在相應幾種溫度時水平性能見表2。

動力特性分析

連續(xù)梁的動力特性是研究連續(xù)梁動力行為的基礎,其自振特性決定其動力響應的特性。本節(jié)首先采用圖11計算模型,對該橋進行了動力特性分析,前5階自振頻率如表3 所示。

抗震結構的基頻為1.045Hz,結構前5階振型特征主要表現(xiàn)為主梁縱飄和側向彎曲振動。與抗震結構相比,三種溫度情況下隔震結構的基頻分別為0.736Hz、0.804Hz、0.864Hz,與抗震結構相比,基頻均有不同程度的減小,可以減小地震響應。

結構地震響應分析

本文采用時程法計算時,選用提供的3條地震波作用下結構地震響應的最大值,計算結果均只考慮地震作用效應,由于只作隔震效果比較,未提取樁的受力。受篇幅所限,本文只提取E2地震作用下的數(shù)據(jù)進行比較(見表4~8)。

支座可減小地震響應

與傳統(tǒng)的抗震結構相比,當溫度在40℃到-40℃之間時,使用鉛芯隔震橡膠支座后,橋梁基頻均有一定程度的減小,可以減小地震響應。

單從隔震體系看,與23℃時相比,雖然隔震橋在-40℃ 時的受力會有所增大,但增加值仍在可接受范圍內。而且,與傳統(tǒng)抗震方法相比,使用鉛芯隔震橡膠支座后,在各溫度下都可以大幅度減小地震力引起的上部梁結構對下部墩體結構的作用力,具有非常良好的隔震效果。在23℃、-25℃、-40℃溫度下、在E2地震作用下,鉛芯隔震橡膠支座在順橋向的最大隔震率分別為89%、 86% 和82%,橫橋向的最大隔震率分別為80%、75%和68%。在順橋向布置活動支座的墩上,由于這些墩在抗震結構中根本不承擔什么地震力,所以,在使用隔震方式后,墩的受力反而會增加。這些墩力值增大恰恰使墩底內力分布更加合理,減少內力分布集中于某一固定墩上,使地震力均勻分配到各個墩上。

在23℃、-25℃、-40℃溫度環(huán)境,E2地震作用下, 鉛芯隔震橡膠支座在順橋向的最大位移(剪切變形)分別為89mm、90mm、102mm,橫橋向位移分別為85mm、97mm、86mm;縱橋向相應產(chǎn)生的支座最大反力為514KN、646KN 、834KN,橫橋向最大反力為512KN 、687KN、804KN。

此外,本分析假定支座不會破壞,但實際卻并非如此。根據(jù)計算結果可知,抗震方式的固定支座在E2地震作用順橋向受力達到了豎向承載力的91%,橫橋向達到了豎向承載力的71%,一些單向活動支座的橫橋向受力也達到了豎向承載力的60%以上,支座早已經(jīng)被破壞。雖然說支座破壞可能對橋墩受力有些好處,但由于失去支撐,梁體也將發(fā)生很大的損壞甚至發(fā)生落梁。

總結如下:

(1)溫度變化對鉛芯隔震橡膠支座的水平性能具有一定影響。當溫度低于-25℃時,支座性能變化率明顯增大。

(2)分析結果表明,使用傳統(tǒng)的鋼支座作抗震設計, 支座所承受的水平力遠遠超出傳統(tǒng)抗震盆式支座所能承受的能力(水平力一般為豎向承載力的20%)。如果專門針對水平力進行支座設計,不僅支座本身結構不太合理,而且設計出的支座雖然可以抵抗地震力,但其巨大的力也要傳遞到墩臺結構,使墩臺結構難以設計。

(3)溫度變化使鉛芯隔震橡膠支座的性能發(fā)生變化, 對橋梁隔震的效果也是有影響的。隨著溫度的降低,支座水平剛度會增大,隔震橋梁所受的地震力也會增大,并且地震力反應相對支座剛度增加還有放大效應。值得注意的是,溫度降低,支座剛度增大后,E2地震下橋梁位移反應并沒有減小。

(4)在最低溫度達到-25℃的地區(qū),溫度對使用鉛芯隔震橡膠支座的隔震橋梁影響較小,設計時可以不用再考慮溫度的影響。而在-40℃的溫度,使用鉛芯隔震橡膠支座進行隔震設計仍比傳統(tǒng)抗震方法有巨大的優(yōu)勢,但動力反應增加達70%,所以設計時需考慮低溫影響,做相應的動力分析,增加墩柱的抗彎、抗剪能力。

(作者單位:柳州歐維姆機械股份有限公司柳州東方工程橡膠制品有限公司)

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