搜索鉛芯隔震橡膠支座的低溫表現(xiàn)
2016-11-06 by:CAE仿真在線(xiàn) 來(lái)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(duì)結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)進(jìn)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(yīng)用得最廣泛的隔震產(chǎn)品。
不過(guò),由于我國(guó)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(duì)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(jié)再灌入鉛芯棒組合而成(結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和建筑物結(jié)構(gòu);橡膠層賦予支座高彈性變形及復(fù)位和承載的功能;鉛金屬具有“再結(jié)晶”的性能,當(dāng)支座發(fā)生剪切變形時(shí),鉛芯棒會(huì)被擠壓變形、剪斷,而后又會(huì)慢慢結(jié)晶起來(lái),這個(gè)過(guò)程中便會(huì)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(fù)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(duì)鉛芯隔震橡膠支座水平性能的影響也主要體現(xiàn)在對(duì)橡膠及金屬鉛的影響。
低溫對(duì)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(jié)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(dá)到-50℃以下,所以本文不再贅述。低溫對(duì)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(cè)定,我們對(duì)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(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3,橡膠在-40℃時(shí)與23℃時(shí)的模量變化最大值為+24%。
低溫對(duì)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(cè)出,所以我們不再單獨(dú)檢測(cè)鉛的溫度性能,而是直接對(duì)支座進(jìn)行不同溫度的檢測(cè)。圖4—圖7列出了支座在23℃、40℃、-25℃、-40℃時(shí)的溫度試驗(yàn)滯回曲線(xiàn)。表1中列出了支座在不同溫度情況下的水平力學(xué)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(yàn)值相比,溫度從40℃至-40℃時(shí),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?xún)?nèi);鉛芯屈服力在-25℃以下時(shí)變化明顯增加, 說(shuō)明極低溫對(duì)鉛芯材料的力學(xué)性能是有一定影響的;支座的二次剛度與等效剛度在-25℃時(shí),分別增加了22%、19%,在-40℃時(shí),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(jié)晶。-25℃以下的溫度對(duì)鉛的性能影響較大,當(dāng)溫度達(dá)到-40℃時(shí),鉛芯屈服強(qiáng)度增加達(dá)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(shí)相比,當(dāng)溫度在-25℃、-40℃,二次剛度分別增加22%、44%,等效剛度增加19%、39%。當(dāng)然,針對(duì)這些變化,還需要分析其對(duì)橋梁隔震效果的影響。
低溫對(duì)支座隔震效果的影響
針對(duì)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(duì)支座產(chǎn)生變化后的性能參數(shù)分別輸入實(shí)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(xiàng)。
建立計(jì)算模型
分析計(jì)算模型取整橋?yàn)檠芯繉?duì)象,結(jié)構(gòu)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(shè)防烈度為8度,基本加速度峰值為0.2g,場(chǎng)地為Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地土,根據(jù)《抗震細(xì)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(shè)防類(lèi)別為B類(lèi),場(chǎng)地卓越周期Tg=0.35s,按抗震規(guī)范6.1.3,本橋?qū)儆诜且?guī)則橋梁。
依據(jù)空間梁格桿系理論,采用Midas/Civil 2012軟件進(jìn)行計(jì)算分析,對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行非線(xiàn)性時(shí)程分析計(jì)算,邊界條件兩臺(tái)位置采用支座底固結(jié),其他各墩采用墩底固結(jié)。建立全橋模型如圖11所示。
在建模時(shí),各構(gòu)件截面特性、連接方式及邊界條件均按實(shí)際情況確定,較為真實(shí)地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)。
為了對(duì)比橋梁低溫時(shí)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(jìn)行分析。
(1)支座布置為傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)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(tái)采用單向活動(dòng)及雙向活動(dòng)盆式支座。
(2)23℃時(shí)鉛芯隔震橡膠支座用于橋梁隔震效果分析。
(3)-25℃時(shí)鉛芯隔震橡膠支座用于橋梁隔震效果分析。
(4)-40℃時(shí)鉛芯隔震橡膠支座用于橋梁隔震效果分析。
地震動(dòng)輸入
本橋在E1和E2地震作用下均可采用TH分析計(jì)算方法。
結(jié)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(duì)E1地震作用取0.5、對(duì)E2地震作用取1.7,Cs場(chǎng)地系數(shù)取1,Cd阻尼調(diào)整系數(shù)取1,A設(shè)計(jì)基本加速度峰值取0.2g, 因此,水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值Smax=2.25CiCsCdA, 對(duì)E1為2.205m/s2,對(duì)E2為7.4925m/s2。對(duì)應(yīng)計(jì)算得到地震波加速度峰值對(duì)E1為0.98 m/s2,對(duì)E2為3.33 m/s2。
在進(jìn)行該橋梁的地震時(shí)程響應(yīng)計(jì)算時(shí),依據(jù)公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,應(yīng)采用多條地震波進(jìn)行計(jì)算分析。為便于比較,現(xiàn)選用三條實(shí)際記錄的地震波,根據(jù)計(jì)算得到的加速度峰值對(duì)地震波進(jìn)行調(diào)整后,得到的地震波加速度時(shí)程曲線(xiàn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱(chēng)為“抗震結(jié)構(gòu)”,而把采用隔震裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱(chēng)為“隔震結(jié)構(gòu)”。 支座布置方案為:0#、6#臺(tái)及3#墩(左右)均采用J4Q420x420x125,而1#、2#、4#、5#墩均采用J4Q720x720x137。在本報(bào)告中對(duì)應(yīng)23℃、-25℃及-40℃ 不同溫度情況,分別采取3種隔震方案,對(duì)上述不同抗震(隔震)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算模型進(jìn)行了相應(yīng)的修改,對(duì)應(yīng)不同溫度的隔震結(jié)構(gòu)分別簡(jiǎn)述為隔震一、隔震二、隔震三。支座在相應(yīng)幾種溫度時(shí)水平性能見(jiàn)表2。
動(dòng)力特性分析
連續(xù)梁的動(dòng)力特性是研究連續(xù)梁動(dòng)力行為的基礎(chǔ),其自振特性決定其動(dòng)力響應(yīng)的特性。本節(jié)首先采用圖11計(jì)算模型,對(duì)該橋進(jìn)行了動(dòng)力特性分析,前5階自振頻率如表3 所示。
抗震結(jié)構(gòu)的基頻為1.045Hz,結(jié)構(gòu)前5階振型特征主要表現(xiàn)為主梁縱飄和側(cè)向彎曲振動(dòng)。與抗震結(jié)構(gòu)相比,三種溫度情況下隔震結(jié)構(gòu)的基頻分別為0.736Hz、0.804Hz、0.864Hz,與抗震結(jié)構(gòu)相比,基頻均有不同程度的減小,可以減小地震響應(yīng)。
結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析
本文采用時(shí)程法計(jì)算時(shí),選用提供的3條地震波作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的最大值,計(jì)算結(jié)果均只考慮地震作用效應(yīng),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(jìn)行比較(見(jiàn)表4~8)。
支座可減小地震響應(yīng)
與傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)相比,當(dāng)溫度在40℃到-40℃之間時(shí),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(yīng)。
單從隔震體系看,與23℃時(shí)相比,雖然隔震橋在-40℃ 時(shí)的受力會(huì)有所增大,但增加值仍在可接受范圍內(nèi)。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(jié)構(gòu)對(duì)下部墩體結(jié)構(gòu)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(dòng)支座的墩上,由于這些墩在抗震結(jié)構(gòu)中根本不承擔(dān)什么地震力,所以,在使用隔震方式后,墩的受力反而會(huì)增加。這些墩力值增大恰恰使墩底內(nèi)力分布更加合理,減少內(nèi)力分布集中于某一固定墩上,使地震力均勻分配到各個(gè)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(yīng)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(huì)破壞,但實(shí)際卻并非如此。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,抗震方式的固定支座在E2地震作用順橋向受力達(dá)到了豎向承載力的91%,橫橋向達(dá)到了豎向承載力的71%,一些單向活動(dòng)支座的橫橋向受力也達(dá)到了豎向承載力的60%以上,支座早已經(jīng)被破壞。雖然說(shuō)支座破壞可能對(duì)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(jié)如下:
(1)溫度變化對(duì)鉛芯隔震橡膠支座的水平性能具有一定影響。當(dāng)溫度低于-25℃時(shí),支座性能變化率明顯增大。
(2)分析結(jié)果表明,使用傳統(tǒng)的鋼支座作抗震設(shè)計(jì), 支座所承受的水平力遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhuān)門(mén)針對(duì)水平力進(jìn)行支座設(shè)計(jì),不僅支座本身結(jié)構(gòu)不太合理,而且設(shè)計(jì)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(tái)結(jié)構(gòu),使墩臺(tái)結(jié)構(gòu)難以設(shè)計(jì)。
(3)溫度變化使鉛芯隔震橡膠支座的性能發(fā)生變化, 對(duì)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(huì)增大,隔震橋梁所受的地震力也會(huì)增大,并且地震力反應(yīng)相對(duì)支座剛度增加還有放大效應(yīng)。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(yīng)并沒(méi)有減小。
(4)在最低溫度達(dá)到-25℃的地區(qū),溫度對(duì)使用鉛芯隔震橡膠支座的隔震橋梁影響較小,設(shè)計(jì)時(shí)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(jìn)行隔震設(shè)計(jì)仍比傳統(tǒng)抗震方法有巨大的優(yōu)勢(shì),但動(dòng)力反應(yīng)增加達(dá)70%,所以設(shè)計(jì)時(shí)需考慮低溫影響,做相應(yīng)的動(dòng)力分析,增加墩柱的抗彎、抗剪能力。
(作者單位:柳州歐維姆機(jī)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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