溫度及時效對隔震簡支梁橋地震響應的影響

彭剛輝,賈宏宇,陳 波,鄭史雄

(1.成都理工大學工程技術學院,四川樂山 614000； 2.西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

橋梁隔震技術從20世紀70年代開始發展至今，已取得了顯著的成效，在多次地震中的良好表現也證明了其在提高橋梁結構抗震能力的有效性，如1994年的美國圣費南爾多地震以及1995年日本阪神地震[1]。橋梁隔震技術常用的方法之一就是設置橡膠隔震支座，以此來增大橋梁結構的周期，降低地震對結構的作用，但隨著時間的推移，裸露在外部環境中的橡膠隔震支座，其橡膠因時效的影響將會出現老化現象，橡膠的彈性模量變大，支座的力學性能發生改變[2]，同時在不同的溫度階段，橡膠隔震支座所表現出的性能也有所差異[3]，低溫天氣會使橡膠系統的特征強度增加，進而導致隔震系統有效剛度的增加。Nakano通過隔震橋梁的振動臺實驗，分析了寒冷地區隔震橋梁的地震響應[4]，比如位于日本北部寒冷地帶的On-neton橋的引橋，其3個中墩上采用的是鉛芯橡膠隔震支座，研究人員利用距新橋不遠的舊橋處采集到的地震記錄對新橋進行隔震計算，計算結果發現在-20 ℃時墩底峰值彎矩比20 ℃時的設計值幾乎大1倍[5]，這也就進一步證實了溫度對隔震支座的影響不容忽視。國內外對橡膠老化及溫度對隔震橋梁影響的研究幾乎都是單一的考慮溫度或者老化對隔震橋梁的影響，沒有將兩者同時考慮，國內橋梁相關的抗震規范對此僅規定一般原則，無具體的可實施方案，簽于此，本文借鑒美國2014年最新出版的美國“AASTHO指導性隔震設計指南”來探討溫度及時效對隔震簡支梁橋產生的影響[6]，以此促進中國隔震技術的發展及進一步完善相關規范。

1 “AASHTO指導性隔震設計指南”橡膠隔震支座

1.1 力學特性的修正

彈性橡膠隔震系統的兩個重要的設計因素是支座有效剛度和阻尼系數，它們受Kd和Qd的影響較大，因此須正確確定Kd和Qd的取值，以此來反映隔震支座在地震作用下的真實情況。美國“AASHTO指導性隔震設計指南(2014版)”采用界限分析的方法確定支座使用期間力學特性的最大值與最小值，如圖1所示，當Kd和Qd處于最大值時(即Fmax)，橋墩的設計力可以達到最大值，因此，要求用Qd，max和Kd，max來確定傳遞至下部結構的最大地震力。當Qd和Kd處于最小值時(即Fmin)，設計位移有可能達到最大值(即dmax)，因此，要求用Qd，min和Kd，min來確定隔震橡膠支座發生的最大位移。

圖1 Kd和Qd對Fmax、dmax的影響

從保護橋墩和控制橋墩損傷的角度來說，一般采用最大值來保證下部結構的抗震性能，歐美國家較多采用支座的特征強度Qd和屈服后剛度Kd作為支座的關鍵力學特性參數用于非線性時程分析，與支座屈服強度Fy的關系為

Fy=Kc·dy=Qd+Kd·dy

(1)

式中，Kc為支座屈服前剛度；Kd為屈服后剛度；Qd為支座特征強度；dy為支座屈服位移。當考慮了溫度及時效等對支座特性產生影響后，得到修正后的特性最大值及最小值為

Kd，max=Kdλmax，Kd;Kd，min=Kdλmin，Kd

Qd，max=Qdλmax，Qd;Qd，min=Qdλmin，Qd

(2)

修正系數的計算公式如下

λmax，Kd=(λmax，t，Kd)(λmax，a，Kd)(λmax，v，Kd)×

(λmax，tr，Kd)(λmax，c，Kd)(λmax，scrag，Kd)

(3)

λmin，Kd=(λmin，t，Kd)(λmin，a，Kd)(λmin，v，Kd)×

(λmin，tr，Kd)(λmin，c，Kd)(λmin，scrag，Kd)

(4)

λmax，Qd=(λmax，t，Qd)(λmax，a，Qd)(λmax，v，Qd)×

(λmax，tr，Qd)(λmax，c，Qd)(λmax，scrag，Qd)

(5)

λmin，Qd=(λmin，t，Qd)(λmin，a，Qd)(λmin，v，Qd)×

(λmin，tr，Qd)(λmin，c，Qd)(λmin，scrag，Qd)

(6)

式中，λt為溫度影響系數；λa為老化及腐蝕影響系數；λv為速率影響系數；λtr為行程影響系數(表現為磨損)；λc為在滑動系統中的污染影響系數；λscrag為在橡膠系統中支座沖擊影響系數。

以上參數當中的λt、λa、λscrag在“AASHTO指導性隔震設計指南”當中給出了最大的修正系數[6]，具體取值詳見表1～表3。3個表中LDRB表示低阻尼橡膠支座，HDRB表示高阻尼橡膠支座，SHDRB表示超高阻尼橡膠支座；而λv、λtr的最大修正系數則建議根據試驗確定，污染對橡膠支座的影響較小，可取λc=1，該規范規定最小修正系數統一取1.0，這樣就與不考慮溫度及時效時保持一致。

表1 溫度特性修正系數最大值(λmax，t)

表2 老化性能修正系數最大值(λmax，a)

表3 沖擊影響修正系數最大值(λmax，scrag)

1.2 調整系數

各分項修正系數只反映某一特定因素對支座力學特性的影響，實際工程中將幾種不同因素與考慮最大地震作用同時其發生的概率非常小，即各個分項系數相乘得到的系統修正系數與實際情況相比偏大，故而需要采用支座特性調整系數來調整，調整后的分項系數為

其中，δ為支座特性調整系數，特重要橋梁取1.0，重要橋梁取0.75，其他橋梁取0.66。

2 結構模型及地震動選擇

2.1 建立模型

以四川汶川境內1座6跨跨度均為30 m的簡支梁橋為設計原形，如圖2所示，設計了6座代表性橋梁，墩高分別以4、8、12、16 m和20 m進行組合，如表4所示，分別反映墩高一致、中間高兩邊低、兩邊高中間低以及一高一低的結構形式，主梁采用T形梁，上部結構由10片T梁組成，采用C40混凝土，共有5個橋墩，從左往右依次是1號～5號橋墩，橋墩均為鋼筋混凝土圓形雙柱實心墩，其直徑為1.6 m，采用C30混凝土。利用軟件ANSYS對全橋建立有限元模型，主梁及橋墩采用梁單元，隔震支座采用LDRB，即鉛芯隔震橡膠支座[7-9]，且溫度設計為-30 ℃，則溫度修正系數λmax，t=1.5，老化修正系數λmax，a=1.1，沖擊影響修正系數λmax，scrag=1.0，因只考慮溫度及時效的影響，故其余的修正系數不考慮，調整系數取0.75；具體的隔震支座參數根據《公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座》(JT/T 822—2011)選取[10]。

圖2 橋梁立面

表4 工況布置

2.2 地震動輸入

地震動輸入從PEER地震記錄數據庫中選取7條地震動記錄，如表5所示，該7條地震動記錄適合于小型工程中硬土場地[11-12]，并將地震動加速度峰值均調整為0.4g，分析方法采用動態非線性時程法。

表5 中硬土場地地震記錄

3 溫度及時效影響分析

對梁式橋的震害調查表明：在地震中橋墩的抗震問題要比主梁嚴重得多[13-14]，因此，本文只針對橋墩進行計算與分析，具體包括墩頂位移、墩底彎矩及剪力。

3.1 對支座及結構的影響

隔震橡膠支座的滯回曲線見圖3，由圖3可知：對支座參數進行修正即考慮溫度及時效的影響，支座的剪力值增大，位移值減小，這是由于溫度及時效使支座剛度變大的緣故造成的。圖4反映不同工況下結構的第一階振型的周期值，其中，工況1墩高較矮(均為4 m)，其剛度較大，基頻大，故周期值小，工況2墩高較高(均為20 m)，其剛度較小，基頻小，故周期值大.同時還可以看出，考慮溫度及時效后橋梁結構周期值都小于不考慮的情況，表明結構的動力特性既與結構剛度有關，還與溫度及時效有關。

圖3 支座的滯回曲線比較

圖4 不同工況下的周期值

3.2 響應比估值分析

墩底彎矩、剪力及墩頂位移時程曲線見圖5～圖7，該時程曲線為工況3在中國臺灣集集地震作用下的響應，從中可知：考慮溫度及時效對橋墩將產生影響，但這只是一種工況在1條地震波作用下的響應，據此分析所得結論的可靠度不高，故而采用表5中的7條地震波分別對表4中的6種工況進行計算，且分析的數據以7條地震波響應峰值的平均值為討論指標。為便于分析溫度及時效對隔震橋梁產生的影響，采用響應比β表示，即

β=x1/x2

式中，x1為考慮溫度及時效時的地震響應最大值；x2為不考慮溫度及時效時的地震響應最大值。當β<1時，表示忽略溫度及時效的影響會高估橋墩的地震響應；當β>1時，表示忽略溫度及時效的影響會低估橋墩的地震響應，其低估值程度表示為

γ=(β-1)×100%

圖5 墩底彎矩時程曲線

圖6 墩底剪力時程曲線

圖7 墩頂位移時程曲線

墩底彎矩、剪力及墩頂位移響應比見表6，圖8表示各工況下位移、彎矩及剪力響應比平均值，可知：不同工況對應的響應比各不相同，其中，剪力響應比均值最大且均大于1，其低估值最大為35.2%，最小為17.6%，位移響應比均值最小，有的大于1，有的小于1，其低估值最大為16.8%，最小為-6%，彎矩響應比均值居中，但也都大于1，其低估值最大為26.6%，最小為12.2%；由此可得：剪力受溫度及時效的影響最明顯，彎矩次之，位移最小，三者的共同點是響應比最大值都出現在工況1，最小值都出現在工況2，且工況1的基頻最大，工況2的基頻最小，由此說明墩頂位移、墩底彎矩及剪力響應比的大小與橋梁結構的動力特性有一定的關系，結構基頻大的，其響應比大，表明溫度及時效對橋梁結構產生的不利影響就大，反之就小。因此，為了減小溫度及時效對橋墩產生的不利影響，建議采用隔震效果更好的隔震支座，如高阻尼隔震橡膠支座，以此來減小橋梁結構的基頻。同時還可以看出，當橋梁結構基頻較小時，墩頂位移低估值為負數(工況2)，說明考慮了溫度及時效的影響反而有利于減小墩頂位移，此時，可忽略溫度及時效對墩頂位移的影響，但當橋梁結構基頻較大時其影響不可忽視。

表6 墩底彎矩、剪力及墩頂位移響應比

圖8 工況與響應比的關系

墩高與響應比的關系見圖9，其值是從各工況中按照橋墩高度選取的響應比平均值，從中可知：隨著橋墩高度的增加，墩頂位移、墩底彎矩及剪力的響應比逐漸減小，說明橋墩高度越小，溫度及時效產生的不利影響越明顯。因此，建議在進行橋梁結構形式布置時，應盡可能避免出現矮墩，以減小溫度及時效對橋墩產生的作用。

圖9 墩高與響應比的關系

4 結論

根據“AASHTO指導性隔震設計指南”對隔震橡膠支座受溫度及時效的影響進行了參數修正，采用非線性時程法對橋梁結構進行地震動分析，通過分析得出以下結論。

(1)溫度及時效會改變隔震橡膠支座的力學特性并使支座的剛度變大，進而改變橋梁結構的動力特性，使得橋梁結構的基本周期值變小。

(2)墩頂位移、墩底彎矩及剪力響應比的大小與橋梁結構的動力特性有關，結構基頻大，對應的響應比就大，即墩底剪力、墩底彎矩、墩頂位移受溫度及時效的不利影響大，反之影響就小，此時，可忽略溫度及時效對墩頂位移的影響。同時，墩頂位移、墩底彎矩及剪力的響應比隨橋墩高度的增加逐漸減小，即橋墩高度越低受溫度及時效的不利影響越大，反之就越小。因此，對低溫地區簡支梁橋進行隔震設計時應選用隔震效果較好的隔震支座，如高阻尼隔震橡膠支座，盡可能延長結構的基本周期，同時在布置橋梁結構形式時盡量避免出現矮墩，以減小溫度及時效對橋梁結構產生的地震響應。

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