許雪艷

（山西旅游職業(yè)學院，山西 太原 030031）

0 引言

起源于上世紀50年代的板式橡膠支座，隨著技術的進步和材料力學性能的進一步提高而得到了更加廣泛的應用。板式橡膠支座良好的抗震性能使得其在減緩橋面振動，抗車輛制動和風動作用力方面性能十分突出。但隨著一些極端自然災害的影響，尤其是在強烈地震的作用下，橋梁軟連接部位反而容易出現不同程度的損傷。經過研究發(fā)現，這種損傷的出現，突出表現在橫向作用力方面。而縱觀中外研究資料，對板式橋梁橡膠支座橫向抗震性能的研究仍屬于難點。本文以國內某次強震范圍內橋梁橡膠支座破壞情況為例，以有限元數值模擬為計算方法，研究其抗震力學性能，以期對橋梁建設發(fā)展提供參考。

1 案例分析

1.1 橋梁參數

某高速公路橋為30m+30m兩跨連續(xù)梁橋，橋面為雙幅結構，總寬33.8m。主梁采用箱梁，梁高1.8m，單跨上部結構總質量900t，平均5個主梁，采用雙柱式橋墩，直徑1.6m，鋼筋分布中箍筋為Φ14的R235鋼筋，縱筋為Φ32的HRB335 鋼筋。墩柱中心距9m，高度8m，蓋梁高度1.7m，高度1.5m，長度15.5m，采用C40混凝土。

兩端支墩與橋面梁之間均為板式橡膠支座。支座規(guī)格為GYZD600×130，支座與梁體支撐鋼板接觸，側面為混凝土擋塊。擋塊構造為直角梯形結構，上平面35cm，下平面49cm，高度70cm。擋塊內部構造為U 形Φ16 的HRB335 鋼筋，深入蓋梁65cm，水平箍筋7 根Φ12 的HRB335鋼筋，并設置直鉤。擋塊構造截面圖[1]見圖1。

圖1 擋塊構造截面圖

1.2 地震的發(fā)生及其影響

某次7.5級強烈地震發(fā)生后，距離震中位置85km的該橋梁發(fā)生了形變。經檢查，橋墩和梁體結構無明顯損傷，但相對位移變化較大，造成板式橡膠支座發(fā)生平移和傾斜，且混凝土擋塊存在從裂紋到斷脫等不同程度的嚴重損傷。為了深入研究地震作用下橋梁板式橡膠支座力學性能，不僅要了解橋梁損傷，還要對地震參數進行準確掌握，才能定量分析出兩者之間的關系。

為了反應地震波動速度和能量，通過收集地震區(qū)域多個觀測臺數據記錄（如表1所示）。對非線性能量成分分別選取了地震動峰值速度Vp，地震動峰值加速度Ap，通過Vp/Ap，得到峰值振動頻率。一般而言，當Vp/Ap的值較大時，能夠推測出其低頻含量必然較高，這種地震往往反映出地震波持續(xù)時間較長，能夠發(fā)生較長時間的地面震動。而Vp/Ap的值不大時，則地震波持續(xù)時間相對較短。為此，分析表1中數據可知，編號為1和3的Vp/Ap較大，反映出此次地震中含有較大低頻脈沖，伴隨較大峰值持續(xù)時間。

表1 某地震數據記錄

2 抗震力學性能評價指標的建立

由于該次地震導致的橋梁受損主要以橫向受力為主，在確認構建的有限元數值模型有效的情況下，重點對該橋梁板式橡膠支座橫向受力的抗震力學性能進行計算，并建立評價指標。

2.1 板式橡膠支座損傷狀態(tài)評價指標

板式橡膠支座直接支撐箱梁，由于板式橡膠支座在壓縮狀態(tài)下的損傷影響不能單純以橡膠外觀進行衡量，還應考慮梁體的位移變化。在建立評價指標時，應以實際情況進行測度。假定損傷最大情況是發(fā)生落梁，將其數值化，則是箱梁內緣與混凝土擋塊外緣重合，此時必然發(fā)生落梁，以此劃分出5個區(qū)間。分別為D0-D4，其中D4為落梁情況下的位移值。根據計算公式Dx=Μb/Kb[2]，其中梁體摩擦系數μ為恒定值0.2，Kb為板式橡膠支座剪切剛度，則分別可以得到D0-D4的數值。根據板式橡膠支座的相應參數，得到其損傷狀態(tài)的評價指標。具體如下：Db≤D0，板式橡膠支座彈性變化范圍內，損傷狀態(tài)指標為無損傷；D0＜Db≤D1，板式橡膠支座與梁體發(fā)生滑動，但橡膠支座上平面與梁體底部仍充分接觸，損傷狀態(tài)指標判定為輕微損傷；D1＜Db≤D2，板式橡膠支座已無法與梁體全面接觸，少量懸空，損傷狀態(tài)指標判定為中等損傷；D2＜Db≤D3，板式橡膠支座已無法與梁體全面接觸，超過1/2面積懸空，損傷狀態(tài)指標判定為嚴重損傷；D3＜Db≤D4，板式橡膠支座已完全脫空，梁體緊靠邊緣擋板，損傷狀態(tài)指標判定為支座滑落；Db＞D4，梁體內緣線超出支座擋板外緣線，損傷狀態(tài)指標判定為落梁。

2.2 混凝土擋塊損傷狀態(tài)評價指標

混凝土擋塊的損傷變化可以通過外表查看，根據有關實驗結果以及上文中對擋塊數值模型簡化計算，可以將擋塊劃分為5個損傷狀態(tài)，并賦予其指標數值△d，5個損傷狀態(tài)最嚴重為△5，最輕微為△1，按照級別劃分分別為：△d≤△1，混凝土擋塊內側出現細微裂紋，但裂紋并未連續(xù)，可判定為無損傷；△1＜△d≤△2，混凝土擋塊內側裂紋連接為一條線，且內部鋼筋出現彎曲，判定為輕微損傷；△2＜△d≤△3，混凝土擋塊內側裂紋為貫通性裂紋，且不斷出現新的裂紋；△3＜△d≤△4，混凝土擋塊內緣出現多條貫通性裂紋，且鋼筋外漏變形，混凝土剝落；△d＞△4，混凝土擋塊內鋼筋斷裂，混凝土移位甚至斷脫[3]。

3 有限元數值模型的建立

3.1 模型建立的假定

采用OpenSees結構分析程序建立有限元數值模型。首先需要對多個限制條件進行假定，其中基礎的約束應力采用固定數值，其他有關數值采用非線性數值模擬。包括，蓋梁采用梁柱單元數據進行模擬，墩柱則采用纖維單元模擬，板式橡膠支座的滑動采用平滑動態(tài)單元模擬。橡膠支座的鋼筋混凝土擋塊采用自定義的非線性單元進行模擬。然后分別對各個數值單元進行模擬試驗，找出其各模塊受影響下的變化量。

3.2 墩柱模擬單元的選擇

墩柱采用纖維單元模擬，且具有離散特性。其模擬數值需要考慮其截面相關信息，如幾何尺寸、鋼筋外保護層的厚度以及混凝土材料的構成關系。在混凝土材料的構成關系模擬中，需要考慮約束應力和混凝土內鋼筋的排布關系，而不需要考慮混凝土拉應力。經過模型建立后，墩柱數值單元模擬，實際上就是混凝土構成關系圖。

3.3 板式橡膠支座模擬單元的選擇

板式橡膠支座建立平滑移動模擬單元。設定摩擦系數μ，考慮質量和摩擦面無變化，排除特殊情況，μ設定為恒定值0.2[4]。板式橡膠支座斷裂的強度參數應為μ與反方向作用力的乘積，此時需要計算剪切剛度值，則根據《公路橋梁抗震設計細則》，經計算后得到板式橡膠支座受到水平剪切力的剪切剛度值。

3.4 支座擋塊模擬單元的選擇

擋塊位于支座側方，其目的是防止支座側方滑移限位。因此，其數值單元模擬以水平剪切力為目標，其設定值分別為擋塊強度、擋塊位移、混凝土和鋼筋受力4 個值[5]。為構建模型，對其參數進行簡化，對于混凝土和鋼筋受力及形變以壓縮彈簧分別代替。

在模擬計算過程中，需要考慮安全因素，為此不能將擋塊模擬至破壞情況，即壓縮彈簧不能壓縮至極限情況。通過輸入彈簧壓縮尺寸、受力測量數值，測出支座擋塊各性能。在模擬過程中，需要選取擋塊側方不同高度點，最終得出各位置性能參數，詳見表2。顯然，通過表2可以看出，越靠近擋塊上部，其強度值越小、移動值越大；越靠近根部，則強度值越大、移動值越小。該模型的構建，與實際強震過程中橫向受力破壞情況表現相同，即上部發(fā)生斷裂、下部出現輕微裂紋。

表2 支座擋塊數值模型計算結果

4 有限元數值計算結果

在賦予了板式橋梁橡膠支座抗震力學性能的評價指標后，通過有限元數值模擬進行計算。將得到的橡膠支座損壞評價值Db；以及將混凝土擋塊的損壞狀況評價值△d。按照該橋梁實際梁體幾何尺寸，對比出其損傷評價狀態(tài)。

文章選取了本次地震真實測量數值進行輸入，以本橋梁3個橋墩的損傷狀態(tài)進行評價，得出表3。表3中詳細反映了如下結果：從箱梁位移值Db來看，從0.013m至0.033m之間，均未超過箱梁中線，箱梁與板梁橡膠支座完全接觸，其損傷程度均為輕微損傷。從混凝土擋塊的損傷程度來看，其中，1#支座位置擋塊形變△d為0.625m，形成擋塊破壞損傷；2#支座位置擋塊形變△d為0.097m，屬于嚴重損傷。而其對應的箱梁位移值卻均為輕微損傷。由此說明，在強烈地震下，擋塊的變化相比箱梁橫向變化更加靈敏，這也說明板式橡膠支座的擋塊部分更易受到強震的損傷。

表3 某橋梁板式橡膠支座抗震力學計算結果

5 結束語

通過實際案例的觀測，指出了橋梁板式橡膠支座的抗震力學性能主要是在產生橫向形變情況下的混凝土擋塊的屈服。為了研究橫向形變與其混凝土、鋼筋材料之間的關系，首先建立了板式橡膠支座抗震力學性能的評價指標，從箱梁位移和擋塊損傷兩方面各劃分5種程度的評判指標；然后利用有限元數值計算軟件，建立了有限元數值簡化模型，在輸入實際地震觀測記錄數值后，能夠得到橡膠支座損傷形變數值；最后將某一地震后數據代入，得到相應的箱梁位移和擋塊損壞數值，與現場實際損壞程度一致。分析結果一方面證明了這種計算方式符合板式橋梁橡膠支座抗震力學的研究，另一方面得出擋塊相比于箱梁橫向變化更加靈敏的結論。為此，要提高橋梁混凝土擋塊的橫向剪切力，使得板式橡膠支座抗震力學性能得到提高。