考虑支座材料劣化的斜拉桥抗震性能研究

邱建涛，封 伟,王 通

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

考虑支座材料劣化的斜拉桥抗震性能研究

邱建涛，封 伟,王 通

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

随着斜拉桥服役年限的增长，橡胶减震支座的性能会发生退化，不利于桥梁结构的抗震。结合国内某已建成斜拉桥，采用有限元程序SAP2000建立全桥的计算模型，考虑橡胶隔震支座材料性能的劣化规律，对全寿命期内桥梁的抗震性能进行计算分析。结果表明：随着支座材料的劣化，桥梁的自振频率逐渐增大，全桥的刚度会出现一定程度的增加，主塔、主梁的位移峰值以及塔底弯矩峰值降低，并且出现峰值的时间有所提前，支座材料劣化是影响斜拉桥抗震性能的重要因素。

斜拉桥；减震橡胶支座；材料劣化；抗震性能

斜拉桥具有跨越能力大、造型美观、施工便利等优点，近年来在国内外桥梁建设中成为使用较为广泛的大跨度桥梁结构体系[1-2]。但是，随着斜拉桥跨度的不断增大，结构构造与地震响应也越来越复杂，其抗震性能越来越受到关注[3-5]。在限制桥梁地震时的位移以及减震耗能方面，支座起到不容忽视的作用[6-7]。目前，隔震橡胶支座在桥梁结构中得到了越来越多的应用，但隔震橡胶支座长期暴露在自然环境中，会受到各种环境因素以及力学因素的双重影响，支座材料会出现不可避免的劣化[8-10]。这种劣化主要从两个方面考虑：第一，桥梁服役环境中的腐蚀介质会使得材料内部出现老化，如橡胶材料的变质；第二，外部环境中的氧气、水分、腐蚀性介质的侵蚀，使得支座外部的连接板、螺栓等出现锈蚀，进而使得支座的性能出现下降。由于隔震支座在全寿命期一般不考虑更换，所以有必要对桥梁服役期内支座的性能变化进行合理的分析研究，进而对桥梁在不同服役期内的抗震性能进行分析，从而得出支座性能退化对全寿命期内桥梁抗震性能的影响，这对桥梁的抗震设计以及桥梁的抗震安全评估具有十分重要的意义。

多数研究结果表明，随着隔震支座的服役年限增长，支座的水平和竖向刚度也会出现增长，其力学性能会慢慢出现变化，进而对桥梁的抗震性能产生一定的影响。对于支座性能退化后桥梁抗震性能的变化，目前研究还比较少。本文以已建成的采用隔震橡胶支座的混合梁斜拉桥为工程背景，采用SAP2000建立全桥的计算模型，借鉴赵桂峰等人对于隔震橡胶支座性能劣化规律的试验研究所得的成果，分别对0 a(初始状态)、20 a、40 a、60 a、80 a、100 a时隔震支座性能劣化后的桥梁计算模型进行抗震性能分析，对各个时间段桥梁的自振特性以及主梁，主塔的内力、位移等进行对比分析，从而得到支座材料性能劣化对桥梁抗震性能产生的影响。

1 隔震体系原理

以弯曲变形为主的抗震结构，主要通过构件的损伤破坏来吸收耗散外部输入的能量。当地震出现时，地面振动引起结构的地震响应，若结构基础固结于地基，其地震响应是随着结构高度从下到上逐渐增大的。对于传统的抗震设计来讲，主要通过提高结构的强度和延性，利用结构在大震作用时产生的塑性变形来耗散地震能量，通过将塑性控制在某一范围内来达到大震不倒的目标。而隔震体系则是在桥梁的上部结构和下部结构之间设置减震耗能装置，从而使地震能量向上部结构的传输被阻断，以达到减小结构振动的目的。采用隔震装置能够有效延长结构周期，降低结构的自振频率，并且能够通过合适的阻尼使得桥梁结构的加速度响应大大减弱。而且能够使结构的位移主要发生在下部结构与上部结构之间的隔震层，而不是由结构本身的塑性变形来承受，从而减小地震对上部结构的影响，提高结构的抗震能力。

减隔震结构体系就是指结构中加入减隔震装置，与原有结构共同形成的体系。减隔震体系的原理如图1所示。由于减隔震装置的设置，结构的固有周期由T1增加到T2，结构的加速度响应由A点降低到B点。与此同时，结构的位移也从图1(b)上的A点增长到B点。为了将隔震后结构的位移响应控制在合理的范围内，在隔震层中设置阻尼器把因周期延长而增大的结构位移响应由B点降低到C点。

图1 减隔震原理

图2 减隔震结构计算模型 图3 SAP2000斜拉桥动力计算模型

减隔震结构的计算模型如图2所示，A为在水平方向支承上部结构的装置，主要用来延长结构的自振周期，施加复位力，从而达到隔震的效果；B为下部结构与上部结构发生相对位移时的耗能装置，主要用来减小上部结构的振幅和减震消能；C为在竖向支承上部结构的装置，主要用来吸收竖向的地震能量，同时传递上部结构的恒载和活载，保证结构正常使用功能的实现。

2 计算模型的建立

2.1 工程背景

以一座已建成的混合梁斜拉桥为工程实例进行研究，主桥桥型为双跨双索面半漂浮体系混合梁斜拉桥，跨径为(40.5+42.5+67+400+67+42.5+40.5) m，其中桥塔为H型，主跨为钢箱梁，边跨为预应力混凝土梁，主跨与边跨的连接为边跨部分伸入主梁。在塔梁连接处设有减隔震支座，同时在边墩和辅助墩顶也设置了减隔震支座。主桥主墩下为直径2 m的钻孔灌注桩承台基础，锚固墩和辅助墩下为直径1.5 m的钻孔灌注桩承台基础。

2.2 计算模型

利用SAP2000有限元程序建立结构的动力分析模型，如图3所示。假定地震时主塔、桥墩始终处于弹性阶段，不考虑桥墩的塑性变形，即叠合梁、预应力混凝土梁、桥墩以及主塔均采用框架单元来模拟。拉索采用索单元模拟，并利用Ernst公式对其垂度进行修正。考虑恒载的几何刚度影响，桥墩与盖梁、桥墩与桩基之间的连接均采用刚性连接。隔震支座的模拟采用SAP2000程序中的摩擦摆隔震支座。根据隔震支座的材料劣化规律，通过输入不同的有效刚度、有效阻尼以及非线性特征值来模拟不同时间段内隔震支座的性能状况。

3 抗震性能分析

3.1 结构的自振特性分析

结构的自振特性决定了它的动力反应特征，因此对桥梁的自振特性进行研究是分析桥梁动力反应特性的基础。本文采用特征向量法进行特征值分析，运算前40阶振型，取值满足规范相关的要求:振型参与质量大于计算方向结构总质量的90%。表1列出了计算模型所取桥梁的前8阶振型的周期、频率和振型形状。

表1 斜拉桥自振频率及振型描述

3.2 隔震支座性能劣化规律

何双等人由试验研究数据所拟合的隔震橡胶支座随着服役时间增长其刚度变化为[2]：

K=0.989 3+0.003 9T支

(1)

其中，T支为支座材料初始刚度，可以得到服役年限分别达20 a、40 a、60 a、80 a、100 a时隔震橡胶支座的水平剪切刚度值，见表2。

表2 隔震支座不同年限的剪切刚度值 (单位：kN/mm)

3.3 结构抗震性能分析

采用的地震加速度时程曲线与场地抗震设防烈度一致，该斜拉桥位于7度地震区，按照8度设防，场地类别为Ⅱ类场地，水平方向地震动峰值加速度为0.2 g。本文混合梁斜拉桥介于钢斜拉桥与混凝土斜拉桥之间，阻尼比依照规范规定，混凝土斜拉桥不大于0.03，钢斜拉桥不大于0.01，取阻尼比0.02。进行时程分析时，选择与设计场地特征周期相近的地震波，本文选取1941年美国帝国谷记录到的EL Centro地震波，见图4。为了与设计烈度相当，对选用的地震波时程曲线进行适当比例的放大和缩小。调整后的加速度可表示为：

(2)

在有限元计算模型的基础上，分别对0 a(初始状态)、20 a、40 a、60 a、80 a、100 a等6种工况下的桥梁抗震性能进行分析，并分别绘制出各个工况下的内力和位移变化曲线，图5、图6为主梁和塔顶位移变化曲线，图7为初始状态时塔底弯矩时程变化曲线。

图4 EL Centro地震波

图5 跨中纵横向位移峰值 图6 左塔顶纵横向位移峰值

图7 左塔底弯矩变化

由图5～图7可以看出：随着服役年限的增长，隔震支座材料逐渐出现性能退化后，桥梁的抗震性能也出现了一定的变化。

表3列出了全服役期内主塔顶和主梁跨中位移的变化情况。塔底弯矩最大值从81 778 kN·m降低到73 600 kN·m。根据分析结果，随着支座材料性能出现退化，桥梁出现一阶振型时的自振频率增大，自振周期变大，主梁和主塔的位移峰值会随着时间的增长而出现降低，出现位移峰值的时间也出现了相应的提前。其中，从桥梁初期到桥梁服役期满100 a，左塔顶纵桥向位移峰值最大降低了20.1%，横桥向位移峰值最大降低了32.8%，跨中纵桥向位移峰值最大降低了23.8%，横桥向位移峰值最大降低了23.3%，塔底弯矩峰值降低了约10%，峰值出现的时间提前了约0.8 s。因此，隔震橡胶支座材料的劣化对桥梁结构的抗震性能产生了不容忽视的影响，对在役的采用隔震支座的斜拉桥进行抗震性能评估时，应该充分考虑到支座性能退化所带来的影响，从而得到与实际情况更加相符的抗震评估结果。

表3 位移峰值变化表 (单位：mm)

4 结论

以一座在役的采用隔震橡胶支座的混合梁斜拉桥为实例，建立结构的动力分析计算模型，考虑支座材料性能变化规律，对各时间段内桥梁结构抗震性能进行计算分析，得出以下结论：

(1)随着支座材料性能的退化，桥梁的自振频率逐渐出现增大，全桥的刚度会出现一定程度的增大，但对全桥的模态振型不会产生明显的影响。

(2)支座材料性能随着桥梁服役年限的增加出现退化后，在地震作用下，主塔、主梁纵桥向和横桥向的位移峰值以及塔底弯矩峰值会出现一定程度的降低，并且位移峰值和弯矩峰值出现的时间会有所提前。

(3)桥梁的地震响应随着服役年限的增长会慢慢出现变化，会对桥梁结构的抗震性能评估产生重要的影响，因此支座材料劣化是影响斜拉桥抗震性能的重要因素。

[1] 叶爱君,管仲国. 桥梁抗震[M]. 北京:人民交通出版社,2002.

[2] 何双. 基于材料性能劣化的近海隔震桥梁全寿命地震易损性分析[D]. 广州：广州大学，2015.

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[4] 高大峰,路军. 基于动水及桩-土-结构相互作用的斜拉桥地震响应分析[J]. 世界地震工程,2015,31(4):15-22.

[5] 范立础. 桥梁非线性地震反应分析[J]. 土木工程学报，1981,14(1):10-17.

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[7] 中华人民共和国交通运输部.公路桥涵地基与基础设计规范:JTJ D63-2007[S].北京:人民交通出版社，2007

[8] 苏健. 叠层橡胶支座力学性能和高架桥及高层隔震结构地震响应研究[D]. 长沙：湖南大学，2012.

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On seismic behavior of cable stayed bridge with deterioration of bearing materials

QIU Jian-tao，FENG Wei，WANG Tong

(SchoolofHighway,Chang'anUniversity,Xi'an710064,China)

With the increase of service life of the cable-stayed bridge, the performance of the rubber shock absorber will be degraded, which is not conducive to the seismic performance of the bridge structure. Calculation and analysis are made for the seismic performance of the whole life of the bridge based on practice of a domestic built cable-stayed bridge, using finite element software SAP2000 to establish the calculation model of the whole bridge, and considering the deterioration of material properties of rubber bearings. The results show that with the deterioration of the bracket material, vibration frequency increases and the stiffness of the bridge will be increased to some extent, the main tower, girder and tower bottom displacement peak moment decreased, and the peak appeared ahead of time. Therefore, the supporting material deterioration is an important factor affecting the seismic performance of cable-stayed bridges.

cable-stayed bridge; anti-seismic rubber bearing; material deterioration; seismic behavior

2016-08-01

国家自然科学基金项目(51408040)

邱建涛(1991—)，男，山东临沂人，硕士研究生。

1674-7046(2017)01-0059-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.01.011

U448.27

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