黃海新，李炫鋼，李帆，張仲帆，周彤

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，石家莊 050000)

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模擬支座脫空，進(jìn)而通過擬靜力試驗(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

(1)

式中：tl、Tl為老化時(shí)間與相應(yīng)溫度；ts、Ts為實(shí)際使用時(shí)間及溫度；R為摩爾氣體常數(shù)；Ea為活化能。

表1 板式橡膠支座各規(guī)格參數(shù)Table 1 Specification parameters of laminated rubber bearing

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。

表2 不同老化程度支座的彈性模量Table 2 Elastic modulus of bearing with different aging time MPa

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)。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Test device

2 試驗(yàn)過程及結(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。

表3 加載工況Table 3 Loading cases

圖2 支座剪切變形Fig.2 Shear deformation of bearing

圖3 偏壓脫空Fig.3 Eccentric compression of bearing

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。

圖4 各工況滯回曲線Fig.4 Hysteresis curves of each case

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)峰值荷載相較于無偏心工況，一個(gè)相對(duì)變大，另一個(gè)相對(duì)變小，說明在往復(fù)方向的加載過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。

圖5 各工況下支座的水平等效剛度Fig.5 Equivalent horizontal stiffness of bearing under each working condition

(2)

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

圖6 支座偏心受壓示意圖Fig.6 Diagram of eccentric compression of bearing

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。

圖7 各工況支座的水平滑移量Fig.7 Horizontal sliding results of bearing under each case

此外，為觀察支座在經(jīng)過水平往復(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?，結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，無偏心時(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。

圖8 各工況末支座相對(duì)初始位置偏移量Fig.8 Offset of bearing relative to initial position

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。

(3)

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9 各工況滯回曲線面積Fig.9 Hysteresis curve area of each case

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，說明正負(fù)峰值荷載絕對(duì)值之和增大，所以，等效阻尼減小。

圖10 各工況等效阻尼比Fig.10 Equivalent damping ratio of each case

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。