山区公路桥梁高性能板式减震橡胶支座振动台试验

为探究高性能板式减震橡胶支座对山区常见不等墩高中小跨径连续梁桥的隔震效果,对一座采用该类隔震支座隔震的、桥墩刚度不等的两跨连续梁桥简化模型进行了纵桥向振动台试验.采用多烈度多设防水准的人工波、Northridge地震波作为激励,分析各类地震下隔震模型的支座变形表现及结构关键位置响应的变化规律.试验结果表明该类支座的隔震效果可使主梁加速度相比台面减少达58%,且其翘曲滚动变形足以适应结构在9度E2地震作用下的墩梁相对位移,震后还可回复,无残余位移,可以用于此类山区公路桥的隔震.

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。

高性能板式减震橡胶支座竖向刚度研究

为探究高性能板式减震橡胶支座竖向刚度的影响因素及规律,得到该支座竖向刚度的简化公式,对不同构造的高性能板式减震橡胶支座进行竖向刚度试验,并建立其实体有限元模型,对支座抗压弹性模量受2个形状系数的影响规律进行参数分析。然后,在现有纤维加劲橡胶支座的抗压弹性模量Tsai-Kelly理论公式与Toopchi-Nezhad修正方法的基础上,用得到的抗压弹性模量数值解对Toopchi-Nezhad修正抗压弹性模量公式中的变量系数进行拟合再修正,得到适用于高性能板式减震橡胶支座的抗压弹性模量理论公式。之后,结合新型支座的常用规格,利用支座抗压弹性模量与第一形状系数的线性拟合,得到其简化经验公式,用于高性能板式减震橡胶支座竖向刚度的计算。结果表明:高性能板式减震橡胶支座的抗压弹性模量会受橡胶层厚度、支座平面面积影响,并随支座第一形状系数S_1的增大而增大,随第二形状系数S_2的增大而减小;建立的新型支座有限元模型可以准确模拟其竖向受力性能;拟合得到的高性能板式减震橡胶支座抗压弹性模量理论公式与有限元模拟结果误差仅5%,可用于该支座竖向刚度的理论计算;经简化得到的经验公式可以用于钢丝直径为1mm,15<S_1<45,2<S_2<6的高性能板式减震橡胶支座的工程设计。

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。

高性能板式减震橡胶支座性能研究

采用理论分析和试验验证相结合的方法,针对一座3联(12跨)不等墩高连续梁桥,对比了高性能板式减震橡胶支座隔震体系和传统板式橡胶支座隔震体系下桥梁结构的动力特性、墩底弯矩、支座位移、支座竖向承载性能和支座复位能力。相较于传统的板式橡胶支座,高性能板式减震橡胶支座隔震结构的自振周期稍有延长、墩底弯矩能需比更大、支座位移响应相差不大,高性能板式减震橡胶支座更能满足抗震需求。

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。

形状系数对三元乙丙橡胶板式支座竖向压缩性能的影响

采用有限元分析方法,研究几何构型参数对三元乙丙橡胶(EPDM)板式支座竖向压缩性能的影响。结果表明:当形状系数(S)分别为7,7.5,8.17时,EPDM板式支座的压缩弹性模量计算值与理论值的误差大于规范限值(20%);当S>8.17时,该误差小于规范限值;随着S增大,该误差总体减小。在最大设计压缩应力(10 MPa)下,EPDM板式支座的竖向压缩位移均小于规范限值;随着S增大,竖向压缩位移与其限值的比值逐渐减小。EPDM板式支座的竖向压缩性能良好,与传统天然橡胶和氯丁橡胶板式支座较一致,满足实际工程需求。

考虑多因素影响的板式橡胶支座桥梁主梁支承长度计算方法研究

为了研究板式橡胶支座桥梁抗震支承长度的需求,针对典型公路混凝土梁桥,考虑强震作用下板式橡胶支座的滑动效应、工程场地类别、抗震设防烈度、曲率半径的影响,分析了地震作用下墩梁相对位移峰值的变化规律,建立了桥梁结构不同基本周期时墩梁相对位移的包络图,提出曲线梁桥墩梁相对位移放大系数建议值;考虑主梁的二次跌落效应、板式支座倾覆稳定性的影响,提出了考虑多种影响因素的板式橡胶支座桥梁主梁支承长度的计算方法,并与各国抗震规范进行对比,分析了所提计算方法的合理性。该计算方法可以对桥梁抗震支承长度的设计起到一定的参考作用。

板式橡胶支座的水平位移特性

为研究曲线梁桥板式橡胶支座在实际运营过程中的受力特性和水平位移发展规律。通过Abaqus建立矩形板式橡胶支座GJZ 500×600×130的有限元模型,对比模型与理论计算的剪切刚度说明了模型的正确性,基于此模型进一步对支座在单次和多次循环位移加载作用下来研究支座水平位移变化规律,然后考虑曲线梁桥板式橡胶支座实际受力情况进行加载,研究支座在变化的竖向压力荷载作用和考虑静动摩擦转变等情况下的位移变化特性,并分析了支座在长期重复荷载作用下的残余变形的发展规律。结果表明:通过此方法建立的支座有限元模型能够较好地模拟支座与上部结构之间的摩擦行为,精确的计算支座的剪切变形和滑动位移;动态的竖向压力作用对支座剪切变形阶段基本不受影响,但对滑动变形阶段有较大大的影响;支座由静摩擦转变为动摩擦时,其水平力和剪切变形会突然减小;支座的残余变形会随着加载次数的增加而累积增大,但增长幅度随着加载次数增长而减小。

公路桥梁板式橡胶支座的抗剪弹性模量研究

普通板式橡胶支座作是我国中小跨径公路钢筋混凝土梁桥的重要支承构件,其抗剪性能影响着结构的整体服役安全。对使用14年的公路桥梁板式橡胶支座进行抗剪弹性模量试验研究,表明支座的抗剪弹性模量值与支座的裂缝状况有关,且随着裂缝状况的变差,其抗剪弹性模量增大。相比单纯老化,实际工程中的荷载、环境等共同作用对支座的抗剪切变形能力影响较大。在支座日常养护中应加强有明显裂缝支座的变形观测。

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。

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．

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.

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。

橡胶质量对板式橡胶支座性能的影响分析

板式橡胶支座病害已经成为高速公路桥梁的常见病害和多发病害,究其原因与橡胶质量不良有关。本文以正常支座和掺入再生胶的支座为研究对象,通过支座力学性能及橡胶物理机械性能的对比试验,分析了再生胶对支座及橡胶受力性能的影响。试验结果表明:再生胶将增大支座的抗压弹性模量和抗剪弹性模量,降低橡胶的拉伸强度和扯断伸长率,且这种影响将随着运营时间的增加而更加显著。

板式橡胶支座滑动性能试验研究

为了研究板式橡胶支座的滑动性能,对其进行了压剪试验,重点考察了竖向面压大小和水平加载速率对支座摩擦系数的影响,以及支座滑动过程中的力学性能。试验结果表明:摩擦系数随着竖向面压的增大而减小,随着水平加载速率的增大呈现先增大后减小的趋势;在加载过程中,支座会出现滑动、脱空和卡压现象,应力应变关系曲线上出现应力突变点;支座滑动前的极限剪应变可达到120%以上。建议设计时,在经济可行的条件下,尽量减少面压;在分析支座的滑移现象时,可偏安全地选取较小的摩擦系数,并关注支座脱空和卡压带来的不利影响。