阿布力孜·艾海提

(新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況及計算模型

借助有限元方法對阿克蘇西大橋電站橋進(jìn)行模擬，該橋位于新疆阿克蘇地區(qū)國道219線K0+445.10處，橋梁跨徑為2～20 m，總長45.04 m，上部和下部結(jié)構(gòu)分別為鋼筋混凝土T型預(yù)制梁與現(xiàn)澆混凝土U型橋臺，橋墩采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土雙柱式。該橋上部結(jié)構(gòu)T梁分別在跨中、四分點及梁端位置設(shè)置橫隔板，橫隔板采用底部預(yù)埋鋼板及焊接鋼板進(jìn)行橫向聯(lián)系。橋墩和橋臺蓋梁頂面橫坡為1.5%，與橋面橫坡一致。橋臺與梁端及橋墩處均設(shè)置型鋼伸縮縫，橋梁均采用矩形板式橡膠支座GJZ200×250×49 mm，預(yù)制T梁和蓋梁、墩柱、橋面鋪裝均用C25混凝土進(jìn)行澆筑。模型中橡膠支座的剛度約束各項值為SDx=EA/L=740 772 kN/m；SDy=SDz=GA/L=1 520 kN/m；SRx=GIp/L=6 kN/m；SRy=EIy/L=3 556 kN/m；SRz=EIz/L=2 228 kN/m。

2 對橋梁結(jié)構(gòu)靜力效應(yīng)的影響

2.1 損傷模型的建立

為分析板式橡膠支座損傷程度與結(jié)構(gòu)靜力效應(yīng)間對應(yīng)關(guān)系，模型中對支座的剪切模量及各項約束剛度進(jìn)行相應(yīng)的折減。分別取支座完好無損情況(工況1)、支座剛度約束值的0.8倍，即損傷程度為20%(工況2)、0.6倍，損傷程度為40%(工況3)、0.4倍，損傷程度為60%(工況4)的四種工況，分別模擬計算橋梁結(jié)構(gòu)在中載與偏載作用下的靜力效應(yīng)。

2.2 工況2與工況1結(jié)果對比分析

將工況2下在中載、偏載作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)各項靜力效應(yīng)值與支座完好無損情況下(工況1)的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，計算結(jié)果如表1所示。

表1 工況1與工況2下中載及偏載作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)靜力效應(yīng)

從工況1與工況2下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)靜力效應(yīng)可知，板式橡膠支座損傷并不能引起支座豎向反力的大幅變化。隨著支座損傷程度的加重，支座的豎向反力雖有小幅減小，但在中載及偏載作用下支座豎向反力分別僅僅減小了1.82%、0.79%，支座豎向反力對支座損傷程度并不敏感。鋪裝層縱向剪應(yīng)力、橫向剪應(yīng)力及縱向正應(yīng)力隨著支座損傷程度的加重，在中載及偏載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力值均呈增大的趨勢，在中載作用下鋪裝層最大縱向剪應(yīng)力、橫向剪應(yīng)力及縱向正應(yīng)力由原來0.42 MPa、0.21 MPa、0.10 MPa分別增大了11.9%、9.5%、20%；在偏載作用下，鋪裝層最大縱向剪應(yīng)力、橫向剪應(yīng)力及縱向正應(yīng)力由原來的0.47 MPa、0.23 MPa、0.12 MPa分別增大了4.26%、4.3%、16.7%，表明支座損傷程度的加重引起橋梁結(jié)構(gòu)鋪裝層縱向剪應(yīng)力、縱向正應(yīng)力的大幅變化。豎向最大位移、T梁最大應(yīng)力值則在中載作用下，隨著支座損傷加重，豎向最大位移分別由1.32 cm增大到1.53 cm，增幅15.9%，T梁最大應(yīng)力值由4.45 MPa增大到4.61 MPa，增大3.6%；在偏載作用下，隨著支座損傷程度的加重，支座豎向最大位移、T梁最大應(yīng)力值分別由1.65 cm增大到1.87 cm，7.31 MPa增大到7.49 MPa，分別增長了13.3%與2.5%，這說明支座的損傷會使T梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力重分布，引起豎向最大位移和內(nèi)部最大應(yīng)力的增長。

2.3 四種工況結(jié)果對比分析

將支座剛度折減系數(shù)為0.6(工況3)和0.4(工況4)在中載及偏載作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)靜力效應(yīng)值分別進(jìn)行統(tǒng)計，與工況1與工況2結(jié)構(gòu)靜力效應(yīng)比較分析板式橡膠支座在不同工況下結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化的整體趨勢。

(1)支座反力

支座在四種不同工況下，中載及偏載作用下的支座反力值計算結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同工況對支座最大反力的影響

由圖1中支座反力計算結(jié)果可知，隨著橡膠支座損傷程度的加重，支座的最大反力值逐漸減小，但減小幅度較小；當(dāng)板式橡膠支座剛度折減系數(shù)為0.6(損傷程度達(dá)到40%)時，與未發(fā)生任何損傷，正常工作狀況下的支座反力相比，中載與偏載作用下支座最大反力值減小幅度分別為0.96%、2.18%，表明支座損傷劣化程度對支座最大反力的影響不明顯。

(2)鋪裝層的縱向剪應(yīng)力值

不同工況在中載與偏載作用下鋪裝層的縱向剪應(yīng)力值如圖2所示。

由圖2中鋪裝層縱向剪應(yīng)力計算結(jié)果可知，隨著橡膠支座損傷程度的加重，鋪裝層內(nèi)縱向剪應(yīng)力呈增大的趨勢，且增速逐步減緩；支座自完好無損，正常工作狀態(tài)到損傷程度達(dá)到40%，在中載作用下橋面鋪裝層最大剪應(yīng)力分別從0.46 MPa增大到1.72 MPa；在偏載作用下從0.65 MPa增大到1.87 MPa，增大了2.74倍與1.88倍，這表明支座損傷程度的加重對橋面鋪裝層縱向剪應(yīng)力大小產(chǎn)生較大影響。

圖2 不同工況對鋪裝層縱向剪應(yīng)力的影響

(3)鋪裝層的橫向剪應(yīng)力值

不同工況在中載與偏載作用下鋪裝層的橫向剪應(yīng)力計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同工況對鋪裝層橫向剪應(yīng)力的影響

由圖3中計算結(jié)果可知，隨橡膠支座損傷程度的加重，鋪裝層內(nèi)橫向剪應(yīng)力也逐漸增大。板式橡膠支座自完好無損，正常工作狀態(tài)到損傷程度達(dá)到40%，在中載作用下的鋪裝層橫向最大剪應(yīng)力由0.072 MPa增大到0.079 MPa，在偏載作用下由0.074 MPa增大到0.079 MPa，增幅分別為9.7%、6.7%。相比鋪裝層縱向剪應(yīng)力的變化情況，橫向剪應(yīng)力受支座損傷程度的影響較小，應(yīng)力值變化并不顯著。

(4)梁體豎向位移值

不同工況在中載與偏載作用下梁體發(fā)生豎向位移計算如圖4所示。

圖4 不同工況對梁體豎向位移的影響

由不同工況下梁體發(fā)生的豎向位移計算結(jié)果可知，隨板式橡膠支座損傷程度的加重，梁體的最大豎向位移也逐漸增大。在中載作用下，板式橡膠支座完好無損的工作狀態(tài)下梁體發(fā)生的豎向最大位移由1.24 cm到損傷程度達(dá)到40%時的2.53 cm，增大了1.04倍，表明支座損傷程度的加重引起梁體豎向位移的較大變化。

(5)T梁應(yīng)力值

不同工況在中載與偏載作用下T梁應(yīng)力值如圖5所示。

從圖5中的應(yīng)力變化趨勢圖可知，隨著橡膠支座損傷程度的加重，T梁最大應(yīng)力逐漸增大。在中載作用下，板式橡膠支座無任何損傷的工作狀態(tài)下T梁最大應(yīng)力由4.45 MPa到損傷程度為40%時的4.89 MPa，增大9.9%，T梁最小應(yīng)則由-0.05 MPa增大到-0.34 MPa，增大了5.8倍。計算結(jié)果及變化趨勢表明，T梁內(nèi)的拉應(yīng)力分布狀況對支座受損傷程度的變化較為敏感。

圖5 不同工況對T梁應(yīng)力的影響

3 對橋梁結(jié)構(gòu)動力效應(yīng)的影響

支座損傷不僅影響橋梁結(jié)構(gòu)的靜力效應(yīng)值，還會引起結(jié)構(gòu)內(nèi)動力效應(yīng)的重分布。為研究支座損傷與結(jié)構(gòu)動力效應(yīng)關(guān)系，對T梁橋支座損傷程度及剛度進(jìn)行相應(yīng)的折減。分別取支座完好無損情況(工況1)、損傷折減系數(shù)0.8，損傷20%(工況2)、損傷折減系數(shù)0.6，損傷40%(工況3)、損傷折減系數(shù)0.4，損傷60%(工況4)的四種工況，對比橋梁結(jié)構(gòu)自振特性的變化情況，分析橋梁動力效應(yīng)對板式橡膠支座損傷情況的敏感程度。

3.1 支座無損傷時各階自振頻率

板式橡膠支座在完好無損的正常工作狀況下(工況1)，橋梁結(jié)構(gòu)各階陣型自振頻率計算結(jié)果如表2。

表2 工況1下各階振型自振頻率

3.2 折減系數(shù)為0.8時各階自振頻率

板式橡膠支座損傷折減系數(shù)為0.8時(工況2)的橋梁結(jié)構(gòu)各階陣型自振頻率計算結(jié)果如表3。

表3 工況2下各階振型自振頻率

3.3 折減系數(shù)為0.6時各階自振頻率

板式橡膠支座損傷折減系數(shù)為0.6(工況3)時的橋梁結(jié)構(gòu)各階陣型自振頻率計算結(jié)果如表4。

表4 工況3下各階振型自振頻率

3.4 折減系數(shù)為0.4時各階自振頻率

板式橡膠支座損傷折減系數(shù)為0.4(工況4)時的橋梁結(jié)構(gòu)各階陣型自振頻率計算結(jié)果如表5。

表5 工況4下各階振型自振頻率

對以上四種工況下的橋梁結(jié)構(gòu)各階陣型自振頻率進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同工況對結(jié)構(gòu)自振頻率的影響

由上述不同工況下的自振頻率計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)自振頻率變化趨勢圖可知，隨著支座損傷程度的加重，結(jié)構(gòu)自振頻率逐漸減??；結(jié)構(gòu)一階自振頻率由支座完好無損時的2.35 Hz減小到折減系數(shù)為0.4時的0.84 Hz，相比完好無任何損傷時的正常工作狀態(tài)減小21.70%，衰減幅度比較明顯，可見橡膠支座損傷對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部動力效應(yīng)影響較大，支座性能衰減對整個橋梁結(jié)構(gòu)的運營安全會造成很大的影響。

4 結(jié) 語

板式橡膠支座劣化程度的加重，對橋梁鋪裝層內(nèi)縱向剪應(yīng)力、最大豎向位移與T梁的最大應(yīng)力均產(chǎn)生較大影響。當(dāng)支座損傷程度較小，橋梁結(jié)構(gòu)的受力和整體剛度受到一定程度的影響，應(yīng)及時采取維護(hù)保養(yǎng)措施來使支座處于良好工作狀態(tài)。當(dāng)支座損傷程度達(dá)到20%～40%時，橋梁結(jié)構(gòu)剛度折減較為明顯，應(yīng)立即采取措施控制其損傷不再繼續(xù)發(fā)展，并做好后期觀測記錄，確保損傷不再發(fā)展，一旦損傷繼續(xù)發(fā)展應(yīng)采取更為高效的措施。當(dāng)支座損傷程度繼續(xù)加重，達(dá)到40%～60%時，T梁內(nèi)拉應(yīng)力明顯增大，對結(jié)構(gòu)受力、變形有很大影響，僅維修保養(yǎng)已經(jīng)不能解決支座損傷過大的問題，應(yīng)該注意加大該方面的防范措施，必要時宜更換支座。當(dāng)支座損傷程度高于60%時，梁內(nèi)拉應(yīng)力值已經(jīng)變得很大，如損傷繼續(xù)加重，可能會造成梁體開裂。因此，實際工程中，一旦發(fā)現(xiàn)支座損傷達(dá)到60%甚至更為嚴(yán)重，應(yīng)立即更換支座，保障橋梁結(jié)構(gòu)安全。