老化與偏心受壓下板式橡膠支座抗震性能擬靜力試驗(yàn)研究

黃海新 李炫鋼 李帆 張仲帆 周彤

摘 要：板式橡膠支座的老化和偏壓甚至脫空對(duì)橋梁抗震安全至關(guān)重要。將板式橡膠支座進(jìn)行室內(nèi)老化試驗(yàn)并測(cè)得彈性模量，按老化程度和軸壓偏心大小共分16個(gè)工況，采用擬靜力試驗(yàn)對(duì)比分析了熱老化、偏壓脫空及其耦合下支座的抗震性能指標(biāo)及變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：偏心受壓下支座滯回曲線較為狹長(zhǎng)，滯回曲線面積和等效阻尼比減小，水平等效剛度增大;老化后的支座剪切變形量縮減，在給定的位移幅值下，因滑移量占比加大，滯回曲線更為飽滿，對(duì)應(yīng)的等效阻尼比增大;老化和偏心耦合狀態(tài)下的滯回曲線斜率更為平緩，支座耗能能力明顯削弱;位于梁端或長(zhǎng)期處于偏壓狀態(tài)的普通板式橡膠支座在地震中存在因單向累計(jì)滑移過(guò)大而脫落的風(fēng)險(xiǎn)。橋梁維護(hù)中應(yīng)對(duì)支座底面采取限位措施，并對(duì)偏心受壓嚴(yán)重的支座進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;減隔振性能;擬靜力試驗(yàn);橡膠支座;熱老化;偏心受壓

中圖分類號(hào)：U441;TU317 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

板式橡膠支座以其成本低、承載和變形能力優(yōu)良而在中小跨徑梁橋中被廣泛應(yīng)用。在橋梁減隔震設(shè)計(jì)中，板式橡膠支座因較小的阻尼比而通常被視為普通支座。但近二三十年的地震災(zāi)害表明，板式橡膠支座的剪切變形、摩擦滑移耗散了部分能量，減輕或延緩了橋墩的損傷[1]。因此，一些學(xué)者開始對(duì)板式橡膠支座的減隔震性能進(jìn)行深入研究。其中，范立礎(chǔ)等[2-3]、王東升等[4]較早對(duì)活動(dòng)板式橡膠支座的動(dòng)力性能進(jìn)行研究，汶川地震后，板式橡膠支座的抗震性能從振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、擬靜力試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方面得到了進(jìn)一步探索[5-8]，Kelly等[9]、Steelman 等[10-11]近年來(lái)也頗為重視地震作用下普通橡膠支座的性能特點(diǎn)及隔震機(jī)理，但上述研究均是在支座無(wú)病害的情況下進(jìn)行的。實(shí)際工作中，由于工程因素與自然因素等原因，板式橡膠支座隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)不可避免地會(huì)出現(xiàn)老化、偏壓脫空等病害[12]，而這些病害是否會(huì)對(duì)支座的抗震性能造成影響，少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了初步探索。施衛(wèi)星等[13]對(duì)疊層橡膠支座進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，研究加載頻率、剪切變形率、熱老化對(duì)疊層橡膠支座的等效剛度、等效阻尼比等支座動(dòng)態(tài)性能的影響。張子翔[14]采用僅能覆蓋支座表面一部分的豎向加載板來(lái)模擬支座脫空，進(jìn)而通過(guò)擬靜力試驗(yàn)探究其恢復(fù)力特性。

可見，帶病害板式橡膠支座抗震性能分析目前僅針對(duì)單一的老化或脫空狀況，且研究尚不充分，而考慮兩種病害并存狀態(tài)下的研究尚未見報(bào)道。為此，筆者以無(wú)老化、支座老化、偏壓脫空及兩種病害耦合的支座為研究對(duì)象，以水平等效剛度、水平滑移量、等效阻尼比為指標(biāo)，采用擬靜力試驗(yàn)較為系統(tǒng)地對(duì)比分析了無(wú)老化支座與帶病害支座的抗震性能，分析其變化規(guī)律，為在役公路梁橋的性能評(píng)估及抗震加固提供依據(jù)。

1 老化與偏心下支座擬靜力試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件及主要試驗(yàn)設(shè)備

板式橡膠支座試件型號(hào)為GYZ250×41，其詳細(xì)參數(shù)見表1。將支座按4塊一組，依據(jù)老化時(shí)間共分為4組，分別為無(wú)老化、老化1、老化2、老化3。其中，老化1、老化2、老化3組為在老化箱中100 ℃下分別放置24、60、72 h，其對(duì)應(yīng)的實(shí)際老化年限依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《硫化橡膠或熱塑性橡膠應(yīng)用阿累尼烏斯圖推算壽命和最高使用溫度》[15]，由阿累尼烏斯（Arrhenius）公式可推算得到

已有研究表明，在老化反應(yīng)溫度變化不大時(shí)，活化能可視為常數(shù)[15-16]，則式（1）等號(hào)右側(cè)為定值，tl與ts間呈線性關(guān)系，結(jié)合文獻(xiàn)[13]換算可得老化1、老化2、老化3分別對(duì)應(yīng)實(shí)際老化年限約為4.2、10.5、12.6 a。測(cè)得各組支座的抗壓彈性模量，取平均值列于表2。表中d為直徑，S為形狀系數(shù)，t為支座總厚度，te為橡膠層總厚度，t1為中間層橡膠厚度，t0為單層鋼板厚度。

由表2可見，板式橡膠支座的抗壓彈性模量隨老化程度加劇而增大，這與文獻(xiàn)[17]所述一致。

主要試驗(yàn)設(shè)備有門式反力鋼架1套、25 t作動(dòng)器及配套記錄系統(tǒng)、30 t千斤頂和鋼構(gòu)件及配套螺桿、四氟滑板、位移傳感器和數(shù)據(jù)采集儀。

1.2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

豎向和水平加載試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如圖1（a）所示。其中，支座豎向力由位于下方的千斤頂施加，具體為千斤頂活塞穿過(guò)千斤頂上鋼板中間的預(yù)設(shè)圓孔施加于球鉸，進(jìn)而將壓力傳遞給支座，支座在反力件和反力門架的約束下豎向受壓。水平加載由水平放置的作動(dòng)器施加，作動(dòng)器以反力墻為支撐，通過(guò)推拉鋼板對(duì)支座施加水平力。推拉鋼板上表面與反力件間設(shè)置四氟滑板，便于其水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而推拉鋼板下表面與支座頂面直接接觸，這與實(shí)際工程中支座表面所受梁底一般性接觸約束的邊界條件相一致。同時(shí)，在水平向設(shè)置位移傳感器用于采集推拉鋼板和支座上下端的位移值。組裝完成后的試驗(yàn)裝置照片見圖1（b）。

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

千斤頂施加的豎向荷載參考百花大橋作用于支座上的壓強(qiáng)[18]，經(jīng)計(jì)算確定試驗(yàn)加載力為214 kN。豎向荷載穩(wěn)定后由作動(dòng)器采用位移控制進(jìn)行低頻水平加載，加載位移的幅值參考《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》[19]并結(jié)合試驗(yàn)裝置尺寸取大于極限應(yīng)變的35、40 mm，每個(gè)幅值加載3個(gè)循環(huán)。每個(gè)支座的加載為一個(gè)工況，共16個(gè)工況，具體見表3。支座剪切變形和偏壓脫空如圖2和圖3所示，水平加載時(shí)由采集儀記錄數(shù)據(jù)。圖4給出了各工況的滯回曲線。

3 結(jié)果分析

3.1 滯回曲線圖特征及初步分析

觀察發(fā)現(xiàn)，圖4中各種不同工況下的滯回曲線均存在兩個(gè)共性特征。其一，當(dāng)水平力卸載為0時(shí)，滯回曲線在水平坐標(biāo)上的截距并不為0，該數(shù)值應(yīng)為支座與頂?shù)装彘g的相對(duì)滑移量。推定的理由是因決定支座變形的橡膠為超彈性體，在卸載后其不會(huì)存在殘余變形，故往復(fù)運(yùn)動(dòng)中支座與鋼板間勢(shì)必出現(xiàn)相對(duì)滑移，這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中也被觀察到。其二，就圖中首個(gè)正向加載段曲線而言，斜率初期遠(yuǎn)大于后期，可見加載初期支座位移值應(yīng)是靜摩擦力對(duì)應(yīng)的水平變形，而后出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，斜率相對(duì)變緩但并不為零，且隨著位移的加大，水平力仍在增長(zhǎng)，表明滑移出現(xiàn)，但此時(shí)的位移值并非單純的由支座滑動(dòng)貢獻(xiàn)，必然含有支座自身的剪切變形，即支座滑動(dòng)與變形并存。

對(duì)比圖4（a）、（d）可見，支座僅偏心受壓時(shí)，滯回曲線更加狹長(zhǎng)，曲線斜率較大，支座滑移量變小而變形量增大。同時(shí)，正負(fù)峰值荷載相較于無(wú)偏心工況，一個(gè)相對(duì)變大，另一個(gè)相對(duì)變小，說(shuō)明在往復(fù)方向的加載過(guò)程中支座的受力狀況并不一致。工況1和工況13相比，僅老化后的支座滯回曲線更加飽滿，曲線斜率較小，滑移量更大，變形量縮減明顯，且正負(fù)峰值荷載的絕對(duì)值略有降幅。而當(dāng)老化和偏心耦合時(shí)，除體現(xiàn)上述單因素特征外，從圖4（p）中還可以看出，隨著水平加載進(jìn)行，曲線斜率、峰值荷載皆逐漸減小，在往復(fù)方向運(yùn)動(dòng)中，支座的滑移量差異較大。

綜上可見，支座老化和偏心距對(duì)滑移量、變形、荷載峰值均產(chǎn)生了影響。下面針對(duì)具體抗震性能指標(biāo)作進(jìn)一步分析。

3.2 水平等效剛度

選取各工況所得滯回曲線中的數(shù)據(jù)，提取峰值點(diǎn)按式（2）計(jì)算，獲得中心加載與偏心加載下不同老化程度支座的水平等效剛度，如圖5所示。

式中：K為水平等效剛度;Fi為第i次峰值點(diǎn)荷載;Xi為第i次峰值點(diǎn)位移。

由圖5可見，隨著熱老化程度加劇，支座的水平等效剛度總體呈減小的趨勢(shì)。與無(wú)偏心相比，軸壓偏心的出現(xiàn)使支座的水平等效剛度增大。

探究偏心后支座水平等效剛度增大的原因，發(fā)現(xiàn)其與推拉行程中支座變形呈現(xiàn)的新特征有關(guān)。如圖6所示，當(dāng)支座處于偏心受壓狀態(tài)時(shí)，下方鋼板呈現(xiàn)一定偏轉(zhuǎn)，此時(shí)h1

3.3 支座滑移量

提取位移計(jì)記錄，結(jié)合滯回曲線在試驗(yàn)所設(shè)位移幅值下各往復(fù)循環(huán)中支座的滑移數(shù)據(jù)，經(jīng)均值處理可得各工況支座的滑移量，如圖7所示。

由圖7可知，支座的滑移量隨熱老化和偏心的變化規(guī)律與圖5一致，不再贅述。分析其原因：隨老化加劇，支座的水平剪切模量增大，所需水平變形值降低，相應(yīng)的滑移量自然增大。而當(dāng)支座偏心受壓時(shí)，“推”行程的吃力使得滑移陡減，滑移數(shù)值變小。

此外，為觀察支座在經(jīng)過(guò)水平往復(fù)荷載后的相對(duì)位置是否發(fā)生改變，試驗(yàn)中，在各工況的始末還分別測(cè)量了支座一端至固定參考點(diǎn)的水平距離，以偏向拉方向?yàn)檎Y(jié)果如圖8所示。由圖8可見，無(wú)偏心時(shí)，支座相對(duì)位置變化很小，尤其是老化程度的改變對(duì)其影響甚微，但當(dāng)軸載發(fā)生偏心時(shí)，支座的相對(duì)位置卻有明顯變化，且呈現(xiàn)不可逆的統(tǒng)一向豎向壓力相對(duì)較小的一方滑移的特征。據(jù)此可推測(cè)，對(duì)位于簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋端部處于偏壓即使未發(fā)生脫空的普通板式橡膠支座而言，支座邊緣與梁端的距離中小跨徑梁橋參考相關(guān)規(guī)范基本在20 cm左右[20]，而板式橡膠支座的正常使用壽命一般在20 a，如此長(zhǎng)服役期內(nèi)的單向累計(jì)滑移易超出支座梁端限值，支座脫落會(huì)危及橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全，甚至導(dǎo)致落梁，故建議橋梁維護(hù)中對(duì)支座底面應(yīng)采取限位措施。

3.4 耗能能力

圖9給出了基于滯回曲線數(shù)據(jù)、利用MATLAB得到的滯回曲線面積，據(jù)此，采用等效阻尼比公式（3）計(jì)算出各工況阻尼參數(shù)，結(jié)果如圖10所示。

式中：ξ為等效阻尼比;S為滯回曲線面積;F1、l1為符號(hào)為正的峰點(diǎn)荷載值和位移值;F2和l2為符號(hào)為負(fù)的峰點(diǎn)荷載值和位移值。

由圖9可見，滯回曲線面積計(jì)算結(jié)果隨熱老化程度加劇雖有一定波動(dòng)，但整體基本呈增大趨勢(shì)，隨豎向偏心距增大而總體下降。滯回曲線面積代表在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中消耗的總能量，支座耗能可分為兩部分，一部分為其自身變形耗能，另一部分為摩擦滑移耗能。對(duì)比兩部分耗能曲線面積，可知板式橡膠支座以摩擦耗能為主，其變形耗能相對(duì)較小，而摩擦耗能由摩擦力與滑移量決定。由此可知，隨著熱老化程度加劇，支座在水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)中的摩擦力減小、滑移量增大，而隨著豎向偏心距增大，其情況相反，再結(jié)合滯回曲線總面積的變化，可見在當(dāng)前的位移幅值下，摩擦耗能主要由滑移量決定。

圖10中支座等效阻尼比的變化規(guī)律與圖9基本相似。由式（3）可知，在采用位移控制的擬靜力試驗(yàn)中，滯回曲線面積與摩擦力共同決定支座的等效阻尼比。結(jié)合圖4及前文所述，在一定位移幅值內(nèi)，隨老化程度加劇滯回曲線面積增大，而摩擦力減小，所以等效阻尼比增大。當(dāng)老化程度一定，軸載偏心距變大時(shí)，滯回曲線面積減小，水平等效剛度增大，說(shuō)明正負(fù)峰值荷載絕對(duì)值之和增大，所以，等效阻尼減小。

此外，由圖9和圖10可見，各老化程度下，當(dāng)支座處于偏心受壓狀態(tài)時(shí)，其耗能能力下降都非常明顯。因此，橋檢中嚴(yán)重的偏壓狀態(tài)應(yīng)引起足夠的重視，其會(huì)削弱結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性。

4 結(jié)論

1）板式橡膠支座偏心受壓時(shí)，滯回曲線面積和等效阻尼比均縮減，支座耗能能力相對(duì)降低。

2）支座熱老化后，滯回曲線面積和等效阻尼比增大，但與偏心受壓狀態(tài)耦合后，支座耗能能力降幅更為明顯。

3）板式橡膠支座自身的變形耗能相對(duì)較小，減震中可適當(dāng)發(fā)揮其滑移摩擦耗能的能力。

4）偏心過(guò)大甚至局部脫空的板式橡膠支座在地震中極易因單向累計(jì)滑移過(guò)大而脫落，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的抗震安全性，建議橋梁管養(yǎng)中應(yīng)重視對(duì)梁端或長(zhǎng)期處于偏壓狀態(tài)支座的維護(hù)，其底面可采取適當(dāng)限位措施。

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Code for design of highway masonry bridges and culverts： JTG D 61-2005 [S]. Beijing： China Communications Press， 2005： 24-25.（in Chinese）

（編輯 王秀玲）