寒区环境温度对板式橡胶支座连续梁桥地震易损性影响研究

针对现行规范对寒区桥梁减隔震设计中仅考虑橡胶支座力学特性受环境温度作用影响,而忽略桥墩混凝土材料特性受温度影响的不足,以高寒地区一座两联3×30 m混凝土连续梁桥为背景,开展不同环境温度下桥墩混凝土材料抗压性能试验,确定温度对其力学参数的影响,基于试验结果对不同环境温度下的桥墩混凝土力学参数进行修正,从而建立不同环境温度下的全桥精细化非线性有限元模型,并基于增量动力分析(IDA)法探究不同环境温度下该桥的地震易损性。结果表明:极端温度引起桥墩混凝土材料参数和支座刚度的改变,使得该桥自振频率随着温度的升高而降低;地震作用下,极端低温时桥墩墩顶位移较常温增大了26.8%,而极端高温时支座位移增大了19.4%;根据现行规范计算的极端低温时支座和桥梁系统的损伤概率偏小,极端高温时结构和构件的损伤概率偏大,在设计中应予以重视;极端低温下桥墩、支座及桥梁系统的损伤概率,较常温分别增大45.0%、35.2%和27.5%,对于高寒地区该类桥梁设计时需考虑低温对其抗震性能的影响。

桥梁板式橡胶支座开裂力学性能

为了研究板式橡胶支座开裂后的力学性能,为桥梁的养护和设计提供更科学的依据,进一步明确支座开裂后裂缝宽度、深度以及裂缝深度对支座力学性能的影响;针对公路桥梁板式支座开裂的问题,利用大型有限元分析软件,建立了不同裂缝宽度、深度和不同开裂层数等多种病害工况下的有限元模型,构建了支座开裂与支座性能衰减间的关系,并对支座在不同病害程度下的力学性能进行了对比分析。结果表明:裂缝宽度较小且开裂层数较少时,开裂对支座受力性能影响很小;当裂缝宽度小于2 mm,裂缝层数小于3层时,对支座竖向位移影响较小,但对支座橡胶最大拉应力和钢板应力影响较大;当裂缝宽度大于2 mm后或支座开裂层数大于3层,对支座的受力性能影响较大。建议将裂缝宽度小于0.5 mm,裂缝层数小于3层,支座病害等级定为Ⅱ级;将裂缝宽度在0.5~1 mm之间,裂缝层数小于3层,支座病害等级定为Ⅲ级;裂缝宽度在1~2 mm之间,裂缝层数小于2层,支座病害等级定为Ⅳ级;裂缝宽度大于2 mm或支座开裂大于3层,支座病害等级定为Ⅴ级,该分级建议可为桥梁板式橡胶支座相关评定标准修订提供参考。

自然老化服役后板式橡胶支座摩擦滑移性能试验研究

为了解自然老化服役后板式橡胶支座的摩擦滑移性能,取实际桥梁中服役10年的7个板式橡胶支座进行摩擦滑移试验,分析不同竖向压应力下支座摩擦滑移规律,研究自然老化板式橡胶支座的水平弹性刚度、摩擦系数及耗能能力等,并对比人工热老化支座的相关性能。结果表明:相同服役年限的自然老化板式橡胶支座老化程度并不相同;自然老化板式橡胶支座摩擦系数随着竖向压应力的增大而减小,水平弹性刚度随着竖向压应力的增大而增大;压剪作用对老化板式橡胶支座的耗能能力影响较小,但需要注意累积的摩擦滑移会使支座耗能能力降低。自然老化板式橡胶支座(试验值)相较于未老化支座(理论值)的表面摩擦系数有所降低,但水平弹性刚度明显增大;自然老化板式橡胶支座水平弹性刚度增大幅度远高于人工热老化的板式橡胶支座,人工热老化研究严重低估了自然老化对板式橡胶支座的危害。

板式橡胶支座梁桥抗震韧性评估

以我国量大面广的板式橡胶支座梁桥为研究对象,开展板式橡胶支座梁桥抗震韧性评估方法研究.首先阐明了桥梁的通用抗震韧性评估框架,包括桥梁非线性建模、面向韧性评价的地震易损性曲线建立和韧性评估3个模块.其次,针对典型板式橡胶支座梁桥,在OpenSees平台建立非线性有限元模型,进行增量动力分析,采用支座残余位移和峰值位移界定桥梁的损伤状态,构建板式橡胶支座梁桥地震易损性曲线.然后,结合不同损伤状态下板式橡胶支座梁桥的损伤概率和对应的构件功能恢复模型,生成给定PGA下的功能恢复曲线.最后,以等效的桥梁总关闭天数为韧性指标,生成桥梁韧性随PGA的变化曲线.结果表明,当PGA从0.6g增加到1.0g时,桥梁韧性快速下降,等效的桥梁总关闭天数从15 d增加到58 d.

考虑不同摩擦界面的板式橡胶支座滑动力学特性试验

板式橡胶支座广泛应用于我国量大面广的中小跨径公路梁桥中,由于其放置形式而受到钢及混凝土界面的约束作用,加之其构造特点进而易于在不同摩擦界面发生非常规的滑动行为。为此,基于钢板+混凝土板、钢板及混凝土板三类摩擦界面,设定不同的竖向压应力及加载速率两类滑动条件,通过支座拟静力加载以对比分析其变形状态及滞回行为,系统探讨不同摩擦界面的支座滑动、刚度、摩擦、耗能及恢复力特性。结果表明:板式橡胶支座变形现象为剪切变形、翘曲卷边和滑动,滞回环由狭长梭形逐渐变为双线性;不同摩擦界面及不同滑动条件在相同加载等效剪切应变条件下的变形阶段及变形状态相异;橡胶的黏结效应使之与摩擦界面间产生附着摩擦作用,导致支座在滑动过程中出现力学性能的变化,恢复力模型可取为三折线;由于附着摩擦作用的差异,钢板+混凝土板及钢板的界面摩擦因数与滑动速率呈正相关,与压应力呈负相关,而混凝土板的界面摩擦特性不稳定,对应摩擦因数与两类滑动条件皆呈负相关趋势;总体而言,钢板+混凝土板的界面摩擦因数较小,相应支座滑动力较小,剪切刚度较小,呈现为滑动位移较大,耗能充分,其次分别为钢板和混凝土板。

板式橡胶支座地震易损性分析

以一中等跨径连续梁桥为研究对象,建立了橡胶支座的滞回特性曲线以及全桥非线性动力分析模型.从太平洋地震工程研究中心(PEER)强震数据库中选取100条地震波,进行了一系列非线性时程分析,得到了橡胶支座的位移反应.根据基于性能的抗震设计思想和地震易损性分析理论,提出了板式橡胶支座4种不同损伤状态损伤指标的确定方法,并由此拟合了谱加速度与支座相对位移延性比之间的关系.基于传统可靠度概率方法,建立了橡胶支座的易损性曲线.分析结果表明,支座在地震作用下的易损性较其他构件更严重,且桥台支座比桥墩支座更容易遭受损坏;增加支座橡胶层厚度或改用聚四氟乙烯滑板支座能很好地改善桥台支座的抗震性能.

板式橡胶支座摩擦滑移抗震性能试验研究

为了研究板式橡胶支座摩擦滑移后桥梁的抗震性能，完成了5个试件在不同竖向荷载作用和往复荷载作用下的拟静力试验，分析了支座摩擦滑移前后的滞回曲线、骨架曲线、支座变形、滑移位移、强度和刚度退化规律以及耗能能力等抗震性能指标．试验结果表明，加载位移较小时，支座主要发生弹性剪切变形，滑动位移较小．当支座剪切变形达到73％一110％时，发生明显滑移，滑移位移与支座所受的竖向荷载和支座规格有关．支座与钢板之间的摩擦系数与施加竖向荷载成反比，摩擦力与竖向荷载成正比，支座加载和卸载刚度基本不变，等效刚度退化明显，但退化到一定值后基本稳定．板式橡胶支座橡胶层厚度的增加会导致支座摩擦耗能性能改变，加载位移相同时，支座自身的剪切变形随之增大，摩擦滑移位移和摩擦耗能则随之减小．

地震作用下板式橡胶支座滑动的动力性能分析

采用双向滑动支座模型对城市立交桥板式橡胶支座抗滑性能不满足要求、发生滑动时的动力性能进行了分析。通过对单墩模型和一条全线简支梁实际结构的分析,初步得出了板式橡胶支座发生滑动时动力特性的规律以及对结构的影响。

板式橡胶支座性能有限元模拟与试验研究

为了研究板式橡胶支座的滑动特性,实测了板式橡胶支座与混凝土间的摩擦系数及其侧向剪切刚度,研究了竖向荷载和加载速率对摩擦系数的影响.试验结果表明:支座的摩擦系数随竖向荷载和加载速率的增大而减小,且实测值大于《公路桥梁抗震设计细则》中的规定值;板式橡胶支座开始滑动时的剪切变形一般相当于橡胶层的厚度,因此可将此指标作为判断板式橡胶支座是否滑动的参考标准.其次,通过建立支座的精细化有限元模型,较好地模拟了支座上下表面的摩擦作用以及由于墩柱大变形产生的支座不均匀受压甚至卡压现象,为准确分析板式橡胶支座桥梁的抗滑性能提供了保证.

板式橡胶支座滑动摩擦性能试验及其力学模型

针对汶川地震中小跨度梁桥出现的板式橡胶支座滑动的典型震害，对板式支座与钢板间的滑动摩擦性能进行了试验研究，分析了竖向正压力和滑动速率对支座滑动摩擦性能的影响规律，试验结果表明，在发生明显滑动之前，支座以水平剪切变形为主，伴随少量的相对滑动，其名义剪切模量在700～1100kPa之间；板式支座与钢板间的滑动摩擦系数与支座的竖向压应力呈负相关，与滑动速率呈正相关．最后建立了考虑板式支座与钢板间滑动摩擦性能的精细化力学模型，以考虑多种因素对支座滑动效应的影响．

桥梁板式橡胶支座与粘滞阻尼器组合使用的减震性能研究

在分析几种减隔震装置的减震耗能机理的基础上,提出了板式橡胶支座与粘滞阻尼器组合使用的减震措施,并利用非线性时程地震反应分析方法,对这种组合装置的减震性能进行了研究。为了研究阻尼系数、阻尼指数和周期对减隔震桥梁地震反应的影响,作了大量的参数分析,给出了参数的合理取值范围。研究结果表明,组合使用板式橡胶支座和粘滞阻尼器,既能减小结构地震力,又能有效地控制梁体位移及墩、梁相对位移。

地震作用下板式橡胶支座滑移对中小跨径梁桥抗震性能的影响

汶川地震中大量板式橡胶支座出现了滑移。为了充分查明支座摩擦滑移的机理,探明支座滑移对中小跨径梁式桥抗震性能的影响,开展板式橡胶支座的摩擦滑移试验,探讨支座滑移的耗能效果及恢复力模型,研究支座摩擦滑移对典型三跨简支梁桥和连续梁桥地震动力响应的影响规律。研究结果表明:1板式橡胶支座摩擦滑移具有一定的耗能效果,其恢复力模型可以利用双线性曲线描述;2对于简支梁桥,板式橡胶支座的滑移耗能能够有效降低对桥墩抗震能力的需求,达到类似桥墩底部塑性铰耗能的效果,减少桥墩在地震作用下破坏的风险,同时,滑移也将减弱支座对上部结构的约束作用,增大上部结构与桥台间的碰撞效应和累积位移;3对于连续梁桥,支座滑移也起到了消耗地震能量和减小桥梁下部结构内力的效果,但由于滑移距离受梁端桥台的约束,减震效果不如简支梁桥显著。

防落梁板式橡胶支座抗震性能分析

针对板式橡胶支座在地震作用下存在落梁风险的问题,开发了防落梁板式橡胶支座(unseating-prevention laminated rubber bearing,URB).在介绍该支座基本情况的基础上,以高烈度区典型预制桥梁为例进行罕遇地震作用分析,并对该支座的基本参数进行了研究.分析结果表明:该防落梁板式橡胶支座可通过钢丝绳限制桥梁上、下部结构间发生过大的相对位移,既可保护支座,又能降低落梁风险;虽然会增大桥墩的地震响应,但通过调整钢丝绳参数可降低这种不利影响;钢丝绳初始间隙和拉伸刚度是该防落梁板式橡胶支座的主要参数,初始间隙要同时满足正常使用和地震作用的要求,拉伸刚度应结合支座本身及桥墩受力确定.

板式橡胶支座摩擦滑移特性参数分析

对板式橡胶支座摩擦滑移特性进行数值分析,并与试验结果进行滞回曲线和等效黏滞阻尼比方面的对比。结果表明:有限元模拟结果能与试验结果很好吻合,说明所建立的有限元模型中对单元的选择、接触的处理及模型简化等能有效用于板式橡胶支座的模拟,可较好预测板式橡胶支座的滑动耗能特性。基于此模型,进一步分析橡胶层厚度、支座宽度等参数对支座滑移特性的影响,为后续建立支座合理分析模型奠定基础。

老化普通板式橡胶支座的剪切性能研究

普通板式橡胶支座作为我国公路钢筋混凝土梁桥体系中的重要支承构件,其老化力学性能可影响局部及整体结构的服役安全性。因此,考虑橡胶材料老化、轴向压应力、支座几何构型等参数,研究老化橡胶支座在不同受力阶段的剪切性能。设计并进行了6个普通板式橡胶支座的剪切性能试验,对不同参数影响下支座的剪应变-剪应力曲线、剪切模量、水平位移-水平力及剪切刚度等参数进行对比分析。进一步应用有限元数值模拟方法,对老化支座的剪切性能进行参数分析,其有限元分析结果与试验结果进行对比。结果表明,橡胶等效老化年限小于20年,其橡胶老化对支座剪切性能的影响较小,则当橡胶等效老化时间大于50年,其剪切模量和剪切刚度增加,剪切变形能力降低,而橡胶老化对支座宏观剪切刚度的影响程度明显大于对材料剪切模量的影响。此外,支座剪应力-剪应变曲线、水平位移-水平力曲线及剪切刚度模拟结果随老化时间的变化规律与试验结果一致,且支座剪切性能随其剪切变形的增大,其模拟结果与试验结果之间差距逐渐降低。其中,当支座剪切变形达到100%时,支座剪切刚度模拟结果与试验结果最大相差20.4%,模拟结果与理论计算结果最大相差21.2%。鉴于实际桥梁工程中橡胶支座的老化受环境气候条件、车辆荷载或偶然荷载等的综合影响,其老化速度会有所加快,在进行老化支座剪切性能计算时应考虑其老化性能指标的取值。

公路桥梁板式橡胶支座设计理念与局部总应变验算

结合我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62—2004)及其《规范条文应用算例》一书中第8.4节的板式橡胶支座的计算实例,参照ISO22762-2:2005规定的局部总应变校核方法,对橡胶支座在桥梁中的几种受力组合状态进行验算。验算结果说明我国公路桥梁板式橡胶支座设计缺少局部总应变校核,支座设计应力取值的不合理,支座设计应力与形状系数相关,指出在橡胶支座设计中应注意的问题。提出橡胶支座设计应参照国际标准及国外标准的合理部分,重视橡胶支座耐久性的设计理念。

中小跨径板式橡胶支座梁桥横向抗震设计研究

为提高中小跨径板式橡胶支座梁桥在强震作用下的横向抗震性能,在总结汶川震区该类梁桥震害特点和国内外桥梁抗震设计规范中相关抗震设计策略规定的基础上,归纳当前我国板式橡胶支座梁桥横向抗震体系存在的问题,提出适合我国中小跨径板式橡胶支座梁桥的横向抗震设计方法,即允许上、下部结构连接构件牺牲的准隔震设计方法,介绍该抗震设计方法设计思想,给出在两设防水准下结构各部件的性能目标要求。选择一座典型板式橡胶支座简支梁桥为研究对象,基于文中抗震设计方法的设计思想,提出采用新型隔震系统对计算桥例进行准隔震设计。结果表明:通过对横向限位装置力学性能参数的合理设计,通过桥梁结构在强震作用下板式橡胶支座的滑移、横向限位装置的损伤或牺牲,控制上、下部结构间传递的梁体惯性力,保护墩柱和基础等下部结构免遭严重损害,同时能有效控制墩梁相对位移,防止过大的梁体移位导致的交通阻断、甚至落梁。

板式橡胶支座力学模型参数的时变特性研究

为明确板式橡胶支座力学模型参数的时变特性。以收集到的服役时间分别为3年、7年、10年、25年的公路桥梁板式橡胶支座为研究对象,开展压剪试验,分析支座使用时间对刚度、摩擦因数等力学模型参数的影响规律。试验结果表明:随着使用时间的增加,板式橡胶支座剪切刚度出现不同程度的退化,剪切刚度与使用时间呈非线性关系;临界滑移位移与使用时间未有明显的关系;摩擦因数随使用时间的增加而增大,并与使用时间呈非线性关系;基于剪切刚度及摩擦因数与使用时间的函数关系,提出了考虑板式橡胶支座力学参数时变特性的力学分析模型。

板式橡胶支座梁桥横向抗震加固研究

针对汶川地震中板式橡胶支座梁桥梁体横向移位严重的震害现象,提出了在原约束体系基础上增设X形板弹塑性挡块的抗震加固设计方法。以一座典型板式橡胶支座简支梁桥为研究对象,建立了可合理模拟支座滑动效应、挡块力学性能和墩柱滞回性能的全桥精细化有限元数值模型。选择国内外实际地震动进行横桥向非线性地震反应分析,研究了梁体与钢筋混凝土挡块横向间隙、X形板弹塑性挡块力学性能等两大参数对抗震加固效果的影响。研究表明:钢筋混凝土挡块与梁体间可预留一定横向间隙,X形板弹塑性挡块屈服强度可控制为上部结构恒载反力的5%;与抗震加固前相比,抗震加固设计能有效控制墩梁相对位移,同时减小桥墩结构地震反应,显著提高桥梁结构抗震性能。

公路桥梁板式橡胶支座失效标准研究

通过对山西省3条高速公路上的板式橡胶支座进行现场调研,确定了该类型支座存在的主要病害问题是支座局部脱空和支座剪切变形.然后通过单轴拉伸试验、双轴拉伸试验和平面剪切试验得出运营桥梁支座实际的特性参数.通过建立板式橡胶支座的有限元模型,分析得出橡胶支座的极限脱空率和极限剪切角.最后通过软件试算,模拟局部脱空和剪切变形两种病害同时存在的情况下支座的受力,拟合出板式橡胶支座在两种病害同时作用下的失效判别公式和失效曲线,如果局部脱空和剪切变形的组合满足失效判别公式或者在失效曲线范围之外,说明支座失效.研究得出的失效标准可以为板式橡胶支座的更换提供依据,具有较高的工程应用价值.