板式橡膠支座地震易損性分析
2011-12-31 00:00:00李立峰,吳文朋,黃佳梅,王連華
湖南大學學報·自然科學版 2011年11期
摘 要：以一中等跨徑連續梁橋為研究對象，建立了橡膠支座的滯回特性曲線以及全橋非線性動力分析模型.從太平洋地震工程研究中心(PEER)強震數據庫中選取100條地震波，進行了一系列非線性時程分析，得到了橡膠支座的位移反應.根據基于性能的抗震設計思想和地震易損性分析理論，提出了板式橡膠支座4種不同損傷狀態損傷指標的確定方法，并由此擬合了譜加速度與支座相對位移延性比之間的關系.基于傳統可靠度概率方法，建立了橡膠支座的易損性曲線.分析結果表明，支座在地震作用下的易損性較其他構件更嚴重，且橋臺支座比橋墩支座更容易遭受損壞；增加支座橡膠層厚度或改用聚四氟乙烯滑板支座能很好地改善橋臺支座的抗震性能.
關鍵詞：橋梁；板式橡膠支座；地震；易損性；地震破壞
中圖分類號：U442.5 文獻標識碼：A
Research on the Seismic Vulnerability Analysis
of Laminated Rubber Bearing
LI Li-feng，WU Wen-peng，HUANG Jia-mei，WANG Lian-hua
（College of Civil Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China）
Abstract: Taking a mid-span continuous bridge as the research subject， the restoring force model of rubber bearing and the dynamical model of nonlinear analysis were established. Also， 100 earthquake wave records were chosen from PEER to conduct a series of nonlinear time-history analyses， and the relative displacement responses of rubber bearings were obtained. Based on the principle of Performance-Based Seismic Design and the theory of seismic vulnerability analysis， a method for determining four different damage indexes of laminated rubber bearing was proposed. According to traditional reliability probability analysis method， a curve between the spectral acceleration and the relative displacement ductility ratios of bearings was fitted， and the fragility curves of different bearings were formed. The results have demonstrated that bearing， especially the bearing on abutment， is more vulnerable than other bridge members under earthquake. Therefore， the seismic performance of bearing will be greatly improved if the thickness of rubber bearings is heightened or the PTFE sliding rubber bearings are adopted for abutment bearing.
Key words:bridge; laminated rubber bearing; earthquake; vulnerability;seismic damage
板式橡膠支座是連接橋梁上部結構和下部結構的重要構件，主要起到傳遞上部結構反力和承受水平變形的作用，以其造價經濟、構造簡單、受力合理等優點，在橋梁工程中得到廣泛的應用，特別適合于中小跨徑梁式橋.地震反應中，板式橡膠支座可以起到延長結構周期、增加結構阻尼的作用，從而可以有效地減小橋墩所受的地震荷載、達到滿足橋梁隔震的要求，因此在橋梁隔震設計方面也應用廣泛.但國內外很多學者研究表明，梁式橋采用這種支座時地震變形主要集中在支座位置，導致梁體與墩、臺之間相對位移過大［1］、支座極易遭受破壞［2］.近幾年的多次大地震震害調查也進一步顯示橡膠支座遭受地震破壞的現象十分普遍.
《城市橋梁抗震設計規范》（征求意見稿）中提出的橋梁抗震體系之一就是利用支座等連接構件的耗能來使上部結構、橋墩和基礎處于彈性狀態，對橋梁支座的抗震性能提出了更高的要求.
基于此，為了詳細研究橡膠支座的抗震性能，本文以某實際橋梁為工程背景，在考慮橡膠支座受力特性的基礎上，建立了精確的非線性動力分析模型；以基于性能的抗震設計思想為指導，提出了一種基于位移破壞準則的橡膠支座損傷指標確定方法，采用傳統可靠度概率分析方法［3］，分析支座變形需求與能力之間的關系，形成了橡膠支座在不同損傷狀態下的易損性曲線，從易損性的角度對橡膠支座的抗震性能進行評估.
1 橡膠支座受力特性
橋梁減隔震設計的要求不同，選用的支座類型也會不一樣，不同類型的支座在地震作用下表現出不同的受力特性.由于支座水平剛度對橋梁主體結構地震響應影響較大［4］，且本文主要采用縱向地震波輸入方法，研究橋梁結構沿縱橋向的地震易損性，故這里主要討論橡膠支座水平方向的力學性能.
1.1 板式橡膠支座
大量試驗結果表明，板式橡膠支座疊層橡膠內部的薄鋼板對橡膠橫向變形的約束作用，能大大提高支座的豎向剛度，但并不影響橡膠層的剪切變形剛度，其剪力位移滯回曲線呈狹長形，可近似作線性處理［5］，如圖1所示.本文不考慮板式橡膠支座與墩頂或梁底之間可能產生的滑動.
1.2 聚四氟滑板橡膠支座
聚四氟滑板橡膠支座是以聚四氟乙烯板和不銹鋼板作為支座的相對滑動面來隔離墩臺與梁底，從而減小下部結構的地震響應，達到隔震的目的.這種支座已經在橋梁工程中使用了40多年，國內外學者對其摩擦因數和滯回性能做了大量試驗研究，研究表明聚四氟乙烯板與不銹鋼板之間的摩擦系數通常低于0.08，涂有潤滑劑時約為0.01～0.03［7］.本文使用恢復力模型如圖2所示.
中國抗震規范［6］還規定了不同水平的地震作用下橡膠型減隔震支座的延性水平：在E1地震作用下產生的剪切應變應小于100%；在E2地震作用下產生的剪切應變應小于250%.
基于性能抗震設計方法強調結構在不同強度水平的地震作用下應該有不同的性能目標，對應不同的損傷狀態.本文根據中國規范對地震作用下支座允許相對位移的具體規定，并參考國外一些規范規定和橋墩變形破壞準則［7］，用相對位移延性比定義了板式橡膠支座的4種損傷狀態.支座相對位移延性比的定義：各極限狀態支座允許相對位移與剪切應變等于100%時的支座相對位移之比.板式橡膠支座各損傷狀態的描述及其相對位移延性比判別準則見表1.
3.2 計算模型
采用SAP2000軟件建立橋梁有限元動力分析模型并對結構進行非線性時程分析.橋臺和橋墩支座的水平剪切剛度按抗震規范［6］計算為Ka=7 434 kN/m，Kp=8 337 kN/m.在地震作用下上部結構進入塑性的可能性較小，實際震害調查分析也發現主梁基本不會被破壞，故主梁采用彈性梁單元模擬.墩柱由于要承受巨大的地震力，抗震規范中允許橋墩在強震作用下形成塑性鉸，故墩柱采用彈塑性纖維梁柱單元模擬.
3.3 地震波輸入
通常采用傳統可靠度概率分析方法得出結構的易損性曲線，需要進行大量的非線性時程分析.選取合適的地震波是保證非線性時程分析準確性的前提，峰值加速度、頻譜特性和持續時間是地震波的三要素.
本文根據橋梁場地類型條件，排除近場地震記錄高能量速度脈沖的影響，從美國太平洋地震工程研究中心(PEER)強震數據庫中選取了100條地震波.選波時使PGA的分布盡量廣泛，100條地震波的PGA分布如圖4所示，100條地震波的反應譜圖如圖5所示.
3.4 板式橡膠支座易損性分析
3.4.1 易損性原理
結構的地震易損性是指在可能遭受的各種強度地震作用下，結構發生某種程度破壞的概率，可用下式表示：
Pf=PD≥CIM . （6）
式中：IM為地震動參數（PGA/SA）；C為結構或構件能力(Capacity)；DI為結構或構件損傷指標，對應結構或構件需求（Damage Index， Demand）.
橋梁工程中常用易損性曲線來描述結構在地震作用下的易損性.易損性曲線通常以地震動強度指標為橫坐標，以結構反應超過規定損傷狀態的概率為縱坐標.
橋墩易損性不是本文的研究重點，因此下文中主要介紹支座易損性曲線的形成過程，并直接給出墩柱易損性曲線.
3.4.2 支座易損性曲線
根據Hwang等 ［3］， Shinozuka等［8］， Choi［9］的研究，地震作用下結構需求概率分布可以用對數正態分布函數表示：
μd=ln (d，βd). （7）
式中：d為支座變形需求的平均值；βd為支座變形需求的對數標準差，它們都可以通過結構地震響應結果的回歸分析得到.研究表明，采用結構基本周期Ts對應的譜加速度SA作為地震動參數時，回歸分析結果較好［3］，故本文采用SA作自變量.經過一系列非線性時程分析后取各支座位移延性比μ和譜加速度SA進行對數回歸分析，回歸結果如圖6所示.
由圖6可知，支座地震變形需求可分別用以下兩式表示：
墩支座:ln （μd）=0.918 5+1.222 1ln(SA)， （8）
臺支座:ln（ μd）=0.942 4+2.061 5 ln(SA). （9）
與支座變形需求相對應，支座剪切變形能力的概率分布也可以用一個對數正態分布函數表示：
μc=ln (c，βc). （10）
式中：c為支座剪切變形能力的平均值；βc為支座剪切變形能力的對數標準差.支座剪切變形能力平均值可取上一節中確定的支座各損傷狀態的相對位移延性比來表示，如表2所示.
由圖7可知，墩柱和支座在不同損傷狀態下發生損傷的概率都隨譜加速度SA的增加而增大；在SA=0.2 g時，橋墩和橋墩支座中等損傷概率都很低，幾乎都不會發生嚴重損傷和完全破壞；但是橋臺支座中等損傷和嚴重損傷的概率卻很高，完全破壞的概率達20%，表明該橋臺支座的設計不甚合理.
分析其原因：首先，該橋橋臺支座設計得比橋墩支座要矮小，其相對位移延性能力亦較小；其次，該橋墩柱較柔，地震作用下墩柱和支座共同承擔地震力，柔性墩的變形消耗了部分能量，墩頂支座相對位移較小，而結構建模時假定橋臺完全剛性，導致橋臺處支座相對位移較大.
分析結果表明，在不同強度地震作用下，板式橡膠支座比橋墩構件更容易損傷；橋臺的延性比橋墩小得多，橋臺處支座比橋墩支座更容易破壞，與文獻［11］中的結論相吻合.
3.5 橋臺支座優化方案
針對橋臺支座更容易破壞的特點，提出以下2種優化方案.
方案1 增加橋臺支座高度.新西蘭的Te Teko橋在1987年的Edgecumbe地震中，受到0.3～0.35 g的地震沖擊，橋臺支座由于環形約束有效高度過小而失效，造成中等程度的損壞［12］.可見橋臺處支座高度不足是導致橋臺支座更容易破壞的原因之一.在前面分析模型的基礎上，保持其他條件不變，增加橋臺支座的高度為橋墩支座的1.2倍，橡膠層厚度變為114 mm，則其延性能力亦為墩柱支座的1.2倍.輸入相同的100條地震波進行分析后得到支座的易損性曲線，并與原方案支座易損性曲線比較，如圖８所示.
由圖8可知，增加橋臺支座高度后，橋臺支座在各損傷狀態下發生損傷的概率明顯降低，在譜加速度SA=0.2 g時，中等損傷概率降至50%，嚴重損傷和完全破壞的概率降至15%以下.可見，在保證支座承載能力的情況下，適當增大橋臺處支座的尺寸及其高度，是提高支座延性、改善支座抗震性能的有效途徑.
方案2 采用聚四氟乙烯滑板支座.盡管增高橋臺支座能夠很好地改善支座的抗震性能，但過分地增加支座高度不但會增加橋梁的造價，還可能導致支座失穩的問題.針對橋臺處支座位移需求大的特點，可以在橋臺處采用位移能力更大的聚四氟乙烯滑板支座.
在前面分析模型的基礎上，保持其他條件不變，橋臺支座改用聚四氟滑板橡膠支座GJZF4400 mm×550 mm×102 mm，橡膠層厚度t=71 mm.本文中取支座與梁底和臺帽之間的摩擦因數μ=0.05，橋臺支座受豎向壓力為1 700 kN，故支座屈服力為85 kN，對應的屈服位移為0.011 43 m.根據文獻［13］的規定，該滑板支座縱向位移量為0.09 m，則該聚四氟乙烯滑板支座中等損傷狀態的位移能力平均值為μ1=(0.09+0.011 43)/0.071=1.43.滑板支座在大震作用下可以滑動，其破壞狀態還與其他因素（碰撞、臺帽尺寸等）有關，由于篇幅所限，本文不再討論其他幾種損傷狀態.輸入相同的100條地震波進行分析后，可得橋臺支座中等損傷狀態易損性曲線，并與前２種方案比較，如圖9所示.
由圖9可知，在橋臺使用聚四氟乙烯滑板支座以后，支座損傷概率也明顯下降，在SA=0.2時支座損傷概率降低了40%左右，與增高橋臺支座的效果相當.
4 結 論
根據板式橡膠支座的受力特性，建立了一座連續梁橋的動力分析模型并進行非線性時程分析，采用傳統可靠度概率分析方法形成了支座的易損性曲線.本文主要得到以下結論：
1）基于位移破壞準則，提出了一種板式橡膠支座損傷指標的確定方法，分析結果表明該方法實用可行.
2）采用板式橡膠支座的連續梁橋，支座比橋墩更容易遭受地震破壞，且橋臺支座比橋墩支座更易破壞，在橋梁抗震設計中應引起重視.
3）橋臺支座在地震作用下位移響應較大，增加支座的高度或采用聚四氟乙烯滑板支座都是改善支座抗震性能的有效途徑.
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