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铅芯隔震橡胶支座在低温环境中的表现

2021-10-22 09:32:30
汶川大地震后,各界均对结构抗震技术进行了新的思考,用于桥梁的各种减隔震装置也纷纷面世。其中,铅芯隔震橡胶支座是最早被使用,并且应用得最广泛的隔震产品。不过,由于我国地域广阔,各地的环境、气候差异非常大,最低温度从0℃到-40℃不等,所以,铅芯隔震橡胶支座在低温环境中的表现值得研究。低温对支座性能的影响铅芯隔震橡胶支座由橡胶层、钢板等迭...

汶川大地震后,各界均对结构抗震技术进行了新的思考,用于桥梁的各种减隔震装置也纷纷面世。其中,铅芯隔震橡胶支座是最早被使用,并且应用得最广泛的隔震产品。

不过,由于我国地域广阔,各地的环境、气候差异非常大,最低温度从0℃ 到-40℃不等,所以,铅芯隔震橡胶支座在低温环境中的表现值得研究。
低温对支座性能的影响

铅芯隔震橡胶支座由橡胶层、钢板等迭层粘结再灌入铅芯棒组合而成(结构如图1)。钢板提高支座竖向刚度, 使之能有效地支承桥梁上部结构和建筑物结构;橡胶层赋予支座高弹性变形及复位和承载的功能;铅金属具有“再结晶”的性能,当支座发生剪切变形时,铅芯棒会被挤压变形、剪断,而后又会慢慢结晶起来,这个过程中便会消耗能量,从而增大支座的阻尼。因此,铅芯隔震橡胶支座既具有较高的承载性,又具有较大的阻尼、大水平位移能力和复位功能。

如图2所示,影响铅芯隔震橡胶支座水平性能的主要是支座的橡胶体及铅芯棒。温度变化对铅芯隔震橡胶支座水平性能的影响也主要体现在对橡胶及金属铅的影响。

低温对橡胶材料的影响

橡胶的低温性能可以从两方面考虑:一是橡胶的低温脆性,二是橡胶在低温下的结晶性能。铅芯隔震橡胶支座一般使用的是天然橡胶,它的低温脆性可达到-50℃以下,所以本文不再赘述。低温对天然橡胶模量的影响,则是本文要研究的。

根据硫化橡胶压缩耐寒系数的测定,我们对铅芯隔震橡胶支座所用胶料在40℃、23℃、0℃、-10℃、-25℃、-4 0℃的弹性模量进行测试,测试结果见图3,橡胶在-40℃时与23℃时的模量变化最大值为+24%。

低温对支座的影响

影响铅芯隔震橡胶支座水平性能的只有橡胶与铅棒两种材料。由于橡胶变化已经测出,所以我们不再单独检测铅的温度性能,而是直接对支座进行不同温度的检测。图4—图7列出了支座在23℃、40℃、-25℃、-40℃时的温度试验滞回曲线。表1中列出了支座在不同温度情况下的水平力学性能值。

图8中列出了支座二次刚度、水平等效刚度、铅芯屈服力及支座阻尼比随着温度改变的变化率。由图可以看出, 与23℃试验值相比,温度从40℃至-40℃时,支座水平性能还是有一定变化的,但整体表现可控。其中,阻尼值变化在10%以内;铅芯屈服力在-25℃以下时变化明显增加, 说明极低温对铅芯材料的力学性能是有一定影响的;支座的二次刚度与等效刚度在-25℃时,分别增加了22%、19%,在-40℃时,分别增加了44%、39%。

支座整体耐低温性能良好

铅芯隔震橡胶支座所用的天然橡胶具有较好的耐低温性能,在-40℃还未发生结晶。-25℃以下的温度对铅的性能影响较大,当温度达到-40℃时,铅芯屈服强度增加达到70%。由于铅芯隔震橡胶支座所用的橡胶耐低温性能较好,与铅芯棒组合后的隔震支座整体耐低温性能表现还比较理想。与23℃时相比,当温度在-25℃、-40℃,二次刚度分别增加22%、44%,等效刚度增加19%、39%。当然,针对这些变化,还需要分析其对桥梁隔震效果的影响。
低温对支座隔震效果的影响

针对铅芯隔震橡胶支座随温度降低而出现的性能变化,本文对支座产生变化后的性能参数分别输入实桥隔震体系,以分析温度变化后桥梁隔震效果有何变化。由前文可知,在40℃、0℃、-10℃情况下,铅芯隔震橡胶支座的性能变化比较小,所以我们只做23℃与-25℃、-40℃的比较,以了解支座用于低温地区的边际条件或注意事项。

建立计算模型

分析计算模型取整桥为研究对象,结构为3×20m+3×20m 两联连续箱梁,箱梁为单箱双室截面。桥面宽10.5m,墩高最高10m、最矮3m,采用直径为1.5m双柱圆形墩,桩基采用单柱桩D160,桥梁立面图如图9、图10所示。

所选的特征桥址所在地抗震设防烈度为8度,基本加速度峰值为0.2g,场地为Ⅱ类场地土,根据《抗震细则》的9.3.6条规定,混凝土梁桥、拱桥的阻尼比不宜大于0.05, 因此在这里取阻尼比为0.05。本桥抗震设防类别为B类,场地卓越周期Tg=0.35s,按抗震规范6.1.3,本桥属于非规则桥梁。

依据空间梁格杆系理论,采用Midas/Civil 2012软件进行计算分析,对结构模型进行非线性时程分析计算,边界条件两台位置采用支座底固结,其他各墩采用墩底固结。建立全桥模型如图11所示。

在建模时,各构件截面特性、连接方式及边界条件均按实际情况确定,较为真实地模拟实际结构的力学特点。

为了对比桥梁低温时隔震效果,并与传统抗震方法相比较,现采用以下4种工况进行分析。

(1)支座布置为传统的抗震结构方式: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、台采用单向活动及双向活动盆式支座。

(2)23℃时铅芯隔震橡胶支座用于桥梁隔震效果分析。

(3)-25℃时铅芯隔震橡胶支座用于桥梁隔震效果分析。

(4)-40℃时铅芯隔震橡胶支座用于桥梁隔震效果分析。

地震动输入

本桥在E1和E2地震作用下均可采用TH分析计算方法。

结合桥梁资料,根据抗震规范,该桥的抗震重要性系数Ci对E1地震作用取0.5、对E2地震作用取1.7,Cs场地系数取1,Cd阻尼调整系数取1,A设计基本加速度峰值取0.2g, 因此,水平设计加速度反应谱最大值Smax=2.25CiCsCdA, 对E1为2.205m/s2,对E2为7.4925m/s2。对应计算得到地震波加速度峰值对E1为0.98 m/s2,对E2为3.33 m/s2。

在进行该桥梁的地震时程响应计算时,依据公路工程抗震设计规范规定,应采用多条地震波进行计算分析。为便于比较,现选用三条实际记录的地震波,根据计算得到的加速度峰值对地震波进行调整后,得到的地震波加速度时程曲线如图12和图13所示。

隔震方案及支座参数

在本文中,以下把未采取隔震装置的桥梁结构简称为“抗震结构”,而把采用隔震装置的结构简称为“隔震结构”。 支座布置方案为:0#、6#台及3#墩(左右)均采用J4Q420x420x125,而1#、2#、4#、5#墩均采用J4Q720x720x137。在本报告中对应23℃、-25℃及-40℃ 不同温度情况,分别采取3种隔震方案,对上述不同抗震(隔震)结构的动力计算模型进行了相应的修改,对应不同温度的隔震结构分别简述为隔震一、隔震二、隔震三。支座在相应几种温度时水平性能见表2。

动力特性分析

连续梁的动力特性是研究连续梁动力行为的基础,其自振特性决定其动力响应的特性。本节首先采用图11计算模型,对该桥进行了动力特性分析,前5阶自振频率如表3 所示。

抗震结构的基频为1.045Hz,结构前5阶振型特征主要表现为主梁纵飘和侧向弯曲振动。与抗震结构相比,三种温度情况下隔震结构的基频分别为0.736Hz、0.804Hz、0.864Hz,与抗震结构相比,基频均有不同程度的减小,可以减小地震响应。

结构地震响应分析

本文采用时程法计算时,选用提供的3条地震波作用下结构地震响应的最大值,计算结果均只考虑地震作用效应,由于只作隔震效果比较,未提取桩的受力。受篇幅所限,本文只提取E2地震作用下的数据进行比较(见表4~8)。

支座可减小地震响应

与传统的抗震结构相比,当温度在40℃到-40℃之间时,使用铅芯隔震橡胶支座后,桥梁基频均有一定程度的减小,可以减小地震响应。

单从隔震体系看,与23℃时相比,虽然隔震桥在-40℃ 时的受力会有所增大,但增加值仍在可接受范围内。而且,与传统抗震方法相比,使用铅芯隔震橡胶支座后,在各温度下都可以大幅度减小地震力引起的上部梁结构对下部墩体结构的作用力,具有非常良好的隔震效果。在23℃、-25℃、-40℃温度下、在E2地震作用下,铅芯隔震橡胶支座在顺桥向的最大隔震率分别为89%、 86% 和82%,横桥向的最大隔震率分别为80%、75%和68%。在顺桥向布置活动支座的墩上,由于这些墩在抗震结构中根本不承担什么地震力,所以,在使用隔震方式后,墩的受力反而会增加。这些墩力值增大恰恰使墩底内力分布更加合理,减少内力分布集中于某一固定墩上,使地震力均匀分配到各个墩上。

在23℃、-25℃、-40℃温度环境,E2地震作用下, 铅芯隔震橡胶支座在顺桥向的最大位移(剪切变形)分别为89mm、90mm、102mm,横桥向位移分别为85mm、97mm、86mm;纵桥向相应产生的支座最大反力为514KN、646KN 、834KN,横桥向最大反力为512KN 、687KN、804KN。

此外,本分析假定支座不会破坏,但实际却并非如此。根据计算结果可知,抗震方式的固定支座在E2地震作用顺桥向受力达到了竖向承载力的91%,横桥向达到了竖向承载力的71%,一些单向活动支座的横桥向受力也达到了竖向承载力的60%以上,支座早已经被破坏。虽然说支座破坏可能对桥墩受力有些好处,但由于失去支撑,梁体也将发生很大的损坏甚至发生落梁。

总结如下:

(1)温度变化对铅芯隔震橡胶支座的水平性能具有一定影响。当温度低于-25℃时,支座性能变化率明显增大。

(2)分析结果表明,使用传统的钢支座作抗震设计, 支座所承受的水平力远远超出传统抗震盆式支座所能承受的能力(水平力一般为竖向承载力的20%)。如果专门针对水平力进行支座设计,不仅支座本身结构不太合理,而且设计出的支座虽然可以抵抗地震力,但其巨大的力也要传递到墩台结构,使墩台结构难以设计。

(3)温度变化使铅芯隔震橡胶支座的性能发生变化, 对桥梁隔震的效果也是有影响的。随着温度的降低,支座水平刚度会增大,隔震桥梁所受的地震力也会增大,并且地震力反应相对支座刚度增加还有放大效应。值得注意的是,温度降低,支座刚度增大后,E2地震下桥梁位移反应并没有减小。

(4)在最低温度达到-25℃的地区,温度对使用铅芯隔震橡胶支座的隔震桥梁影响较小,设计时可以不用再考虑温度的影响。而在-40℃的温度,使用铅芯隔震橡胶支座进行隔震设计仍比传统抗震方法有巨大的优势,但动力反应增加达70%,所以设计时需考虑低温影响,做相应的动力分析,增加墩柱的抗弯、抗剪能力。

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